شرح الطاقة الشمسية من الصفر حتى الاحتراف, ماهي الطاقة الشمسية وكيف تعمل الطاقة الشمسية وأنواع الطاقة الشمسية واستخدامات الطاقة الشمسية ومقارنة بين السخانات الشمسية وألواح الطاقة الشمسية ومميزات الطاقة الشمسية وعيوب الطاقة الشمسية
الطاقة الشمسية
الطاقة الشمسية هى احد مصادر الطاقات المتجددة والتى لاتنضب كما انها ايضا احد مصادر الطاقة النظيفة والتى لاتسبب التلوث مثل الوقود الاحفورى وقد زاد الاهتمام بها كثيرا فى الاونة الاخيرة للحد من الانبعاثات الغازية التى تسبب الاحتباس الحرارى وما يسببه من تغيرات مناخية وحرائق غابات وتصحر فى كثير من المناطق ومن بينها شمال افريقيا.
مما تتكون الشمس
الشمس هى نجم غازى يتكون من الغازات, حيث تتكون الشمس من الهيدروجين بنسبة 92% ومن الهيليوم بنسبة 8%.
كيف تولد الشمس الضوء
يتولد الضوء بالشمس نتيجة سلسلة كبيرة من تفاعلات الاندماج النووى حيث يندمج ذرات الهيدروجين الى هيليوم عبر تفاعل اندماج نووى ينتج عنه حرارة هائلة حيث يقدر العلماء كمية وقود الاندماج النووى بحوالى 620 مليون طن من الهيدروجين فى الثانية الواحدة فى قلب الشمس sun core وهذا مقدار هائل جدا.
كيف يصل ضوء الشمس الينا
يصل ضوء الشمس الينا عبر خاصية الاشعاع الكهرومغناطيسى electromagnetic radiation حيث ينتقل الضوء كطيف كهرومغناطيسى يتكون من عدد من الموجات والتى لها تردد معين وطول موجى معين, حيث ان تردد الموجه هو مقدار تكرارها فى الثانية لذا فان الموجات ذات الرتدد العالى طولها الموجى قصير والعكس صحيح الموجات ذات التردد المنخفض طولها الموجى كبير.
انواع الموجات الكهرومغناطيسية
كما علمنا ان ضوء الشمس ينتقل عبر ظاهرة الاشعاع الكهرومغناطيس كطيف كهرومغناطيسى به عدد من الموجات ذات تردد معين وطول معين وهم كالتالى
- اشعة جاما gamma ray
- اشعة اكس x ray
- الاشعة تحت الحمراء infrared ray
- الضوء المرئى visible light
- الاشعة الفوق بنفسجية ultra violet ray
ويقدر الاشارة الى ان الاشعة المحصورة بين الاشعة تحت الحمراء والاشعة الفوق البنفسجية هى الضوء المرئى والذى يستطيع الانسان رؤيته وتمييز الالوان المرئية مثل الاحمر والاصفر والاخضر والازرق الخ اما باقى الاشعة فهى اشعة غير مرئية للانسان ولا نستطييع رؤيتها, كما يقدر الاشارة ايضا الى ان اشعة جاما ترددها منخفض وطولها الموجى كبير ويزداد التردد فى الاشعة حتى يكون التردد اكبر مايمكن فى الاشعة الفوق بنفسجية وبالتبعية يكون طولها الموجى قصير وتعتبر هذه الاشعة خطرة جدا على الانسان ومن لطف الله بنا ان الغلاف الجوى للارض يمتص اغلب الاشعة الفوق بنفسجية الضارة.
ماهي الطاقة الشمسية
هى الطاقة الضوئية والحرارية للشمس والتى نستقبلها فى الارض فى فترة النهار اى فى فترة سطوع الشمس, والطاقة الضوئية للشمس المقصود بها ضوء الشمس المباشر او الغير مباشر والطاقة الحرارية للشمس المقصود بها الحرارة المنبعثة من الشمس والتى تكون اعلى مايمكن فى العراء وتقل الطاقة الحرارية فى الظل, وتعتمد الطاقة الشمسية على الموقع الجغرفى وعلى فصل السنة فتكون الطاقة الشمسية اكبر ما يمكن فى فصل الصيف وتقل فى فصلى الربيع والخريف قليلا وتضعف فى فصل الشتاء, وتكون الطاقة الشمسية اقوى كلما كنا اقرب لخط الاستواء وتضعف الطاقة الشمسية كلما بعدنا عن خط الاستواء ويوفر الاطلس الشمسى بيانات كاملة عن الطاقة الشمسية تبعا للموقع الجغرافى ولفصل السنة فمن خلاله يمكنك ان تعرف مقدار الطاقة الشمسية فى محافظات مصر على مدار شهور السنة لتحديد افضل مكان لعمل مشاريع الطاقة الشمسية وايضا لتحديد مقدار الطاقة الشمسية لموقع محدد على مدار العام بالتالى تستطيع حساب الجدوى الاقتصادية لمشروع الطاقة الشمسية بدقة متناهية.
من المعلوم ان الارض تعكس مايقرب من 30% من الطاقة الشمسية التى ترسلها الشمس حيث يعكس الغلاف الجوى جزء من الطاقة الشمسية ويسمح بمرور باقى الطاقة الشمسية الى الارض حيث يمتص بعضها بواسطة البحار والمحيطات واليابسة وينعكس بعض من هذه الطاقة الشمسية مرة اخرى الى الفضاء الخارجى مما يحافظ على درجة حرارة كوكب الارض والجدير بالذكر ان الاحتباس الحرارى ناتج من تزايد غاز ثانى اكسيد الكربون فى الغلاف الجوى والذى يمنع انعكاس الطاقة الشمسية الى الفضاء مما يسبب فى ارتفاع حرارة الارض.
تعتبر دول الحزام الشمسى من افضل الاماكن المناسبة لمشاريع الطاقة الشمسية حيث تكون الطاقة الشمسية بها اكبر مايمكن ودول الحزام الشمسى هى الدول الواقعة بين خطى عرض 35 شمالا و 35 جنوبا ومن اهم دول الحزام الشمسى sunbelt هى الصين والهند والمكسيك واستراليا والسعودية وتركيا وجنوب افريقيا ومصر والسودان وليبيا والجزائر واليمن وعمان وقطر والكويت والامارات والبحرين حيث يضم الحزام الشمسى قرابة 148 دولة تمثل 75% من سكان العالم وعلى الرغم من ذلك فان 91% من المشاريع الشمسية تمت فى الدول المتقدمة والتى لاتقع ضمن الحزام الشمسى مما يدل على حاجة العالم الى ضخ استثمارات كبيرة فى دول الحزام الشمسى لتحقيق اقصى استفادة ممكنة من الطاقة الشمسية فى توليد الكهرباء مما يقلل الاعتماد على الوقود الاحفورى ويخفض مستويات التلوث ويقلل من ظاهرة الاحتباس الحرارى.
كيف تعمل الطاقة الشمسية
تعمل الطاقة الشمسية بمبدئين اساسيين وهما
- الكهروضوئية الشمسية وهى خاصية تحويل طاقة الضوء الى كهرباء والتى تتميز بها اشباه الموصلات حيث تصنع منها ألواح الطاقة الشمسية لتوليد الكهرباء من اشعة الشمس.
- الطاقة الحرارية للشمس حيث يتم اما استخدام الواح شمسية لامتصاص ضوء الشمس لتسخين زيت واستخدامه لتسخين الماء كما بالسخانات الشمسية او استخدام مرايا على شكل قطع مكافىء لتركيز الضوء على انبوب بالمنتصف لتسخين الزيت واستخدامه لتسخين الماء كنوع اخر من السخانات او باستخدام مرايا عاكسة للضوء لتركيزه فى نقطة معينة لرفع حرارة الزيت لدرجة عالية جدا ومن ثما استخدامه لتحويل الماء الى بخار مضغوط يستخدم لادارة المولد لتوليد الكهرباء كما بالطاقة الشمسية المركزة.
أنواع الطاقة الشمسية
يوجد اربع انواع رئيسية من الطاقة الشمسية وكل نوع له مميزات عن النوع الاخر وفيما يلى اهم أنوع الطاقة الشمسية
- الطاقة الشمسية الغير فعالة passive solar gain وهو الاستفادة الغير فعالة من ضوء الشمس فى الاضاءة والتدفئة عن طريق تصميم المبانى بطريقة تسمح بدخول اكبر قدر من الضوء والحرارة.
- الطاقة الشمسية الحرارية solar thermal energy وتستخدم فى السخانات الشمسية عن طريق استخدام الواح حرارية تمتص ضوء الشمس لتسخين مائع مثل الزيت والذى يستخدم بدوره لتسخين الماء فى خزان معزول حراريا لاستخدامه طوال الليل والنهار.
- الطاقة الشمسية المركزة Concentrated solar energy وهى استخدام ضوء الشمس المركز بواسطة عدد كبير من المرايا فى تسخين مائع مثل الزيت ثم استخدام الزيت الساخن لتوليد بخار مضغوط لادارة مولد كهرباء.
- الطاقة الشمسية الكهروضوئية Solar Photovoltaic وهى تحويل ضوء الشمس الى طاقة كهربية بواسطة ألواح الطاقة الشمسية او الخلايا الشمسية حيث ان سقوط اشعة الشمس على ألواح الطاقة الشمسية يولد جهد كهربى مستمر DC voltage ويتم تحويله لجهد مترددد بواسطة عاكس inverter لتشغيل اجهزة المنزل.
استخدامات الطاقة الشمسية البدائية
منذ الخليقة وجميع المخلوقات بما فيها الانسان والحيوان والنبات تعتمد على الطاقة الشمسية بصور مختلفة فمثلا الطاقة الضوئية للشمس هى التى تصنع لنا النهار وقد اعتمد الانسان على ضوئها لالاف السنين قبل ان يخترع المصباح وحتى بعد اختراع المصباح مازالت الطاقة الضوئية للشمس هى المصباح الذى لاينضب كما تعتمد كثير من الحيونات والطيورعلى الطاقة الضوئية للشمس فى الصيد والطعام بالنهار, كما تقوم النباتات باستخدام الطاقة الضوئية فى عملية البناء الضوئى للنبات حيث تحول الضوء الى غذاء وهذه العملية من الاهمية بمكان فىبدونها لما وجد النبات والثمار ولما وجد الانسان والحيوان ايضا, وبالنسبة للطاقة الحرارية للشمس فقد استخدمها الانسان والحيوان للتدفئة فالحيونات ذات الدم البارد مثل التمساح تحصل على الدفء من الشمس مباشرة كما استخدم الانسان حتى يومنا هذا الطاقة الحرارية للشمس فى الصوب الزراعية وفى تجفيف الثمار وفى الطهى ايضا فى بعض الاماكن الحارة ومع تتطور العلم بدء الانسان فى تطوير استخدامات جديدة متظورة للطاقة الشمسية.
استخدامات الطاقة الشمسية
مع التطور التقنى السريع تم اكتشاف اشباه الموصلات وسرعان ما احدثت ثورة فى الصناعات الكهربية واصبحث اساس الصناعات الالكترونية الحديثة ومع التطور الكبير فى تصنيع اشباه الموصلات امكن تصنيع عاكس كهربى انفرتر بقدرات كبيرة وكفائة عالية واسعار تنافسية كما تم تصنيع الخلايا الشمسية بعد اكتشاف الكهروضوئية وتم تطويرها وزيادة كفائتها مما ساهم فى الانتشار الكبير لتطبيقات الطاقة الشمسية, وفيما يلى اهم استخدامات الطاقة الشمسية.
- تسخين الماء بواسطة السخانات الشمسية
- توليد الكهرباء بواسطة ألواح الطاقة الشمسية
- توليد الكهرباء باستخدام الطاقة الشمسية المركزة
اسعار ألواح الطاقة الشمسية
تختلف اسعار ألواح الطاقة الشمسية على عدد من العوامل اهمها
- قدرة لوح الطاقة الشمسية وتقاس بالواط, على سبيل المثال لا الحصر 5 - 10 - 20 - 30 - 50 - 60 - 150 واط مع الانتباه انه قد تتوفر ألواح الطاقة الشمسية بقدرات مختلفة عما هو مذكور.
- جهد لوح الطاقة الشمسية ويقاس بالفولت ومتوفر 5 فولت و 12 فولت و 18 فولت و 48 فولت مع العلم يمكن توصيل البطاريات توالى لزيادة الجهد الكلى للمنظومة او توازى لزيادة التيار الكلى للمنظومة.
- نوع لوح الطاقة الشمسية احادى البللورة mono crystal او متعدد البللورة poly crystal حيث يكون لواح الطاقة الشمسية احادية البلورة اغلى واكثر كفائة وعمرها الافتراضى اكبر وعادة تكون داكنة اللون ذا حواف دائرية.
- بلد المنشأ الذى صنعت فيه ألواح الطاقة الشمسية والارخص والاكثر انتشارا بمصر هى لواح الطاقة الشمسية صينية المنشأ كما تتوفر صناعة المانية وايطالية وامريكية ولكن لواح الطاقة الشمسية الصينية ارخص بمقدار 30% تقريبا
فيما يلى اسعار ألواح الطاقة الشمسية فى مصر لعام 2023
- ألواح الطاقة الشمسية 10 وات 18 فولت احادى البللورة mono بسعر 350 مصرى.
- ألواح الطاقة الشمسية 50 وات 12 فولت متعددة البللورة poly بسعر 1050 جنيه مصرى.
- ألواح الطاقة الشمسية 50وات 18 فولت احادى البللورة mono مقاس 67 * 44.5 سم بسعر 1150جنيه مصرى.
- ألواح الطاقة الشمسية 60 وات 12 فولت احادى البللورة mono بسعر 1350 جنيه مصرى.
- ألواح الطاقة الشمسية 320 وات 48 فولت احادى البللورة mono بسعر 5200 جنيه مصرى.
- ألواح الطاقة الشمسية 550 وات 48 فولت احادى البللورة mono بسعر 9625 جنيه مصرى.
السخانات الشمسية
تستخدم السخانات الشمسية فى تسخين الماء كبديل فعال عن السخانات الكهربية وسخان الغاز حيث توفر السخانات الشمسية فى استهلاك الكهرباء لانها تعتمد على طاقة الشمس فى تسخين الماء كما انها تحتفظ بالماء الساخن لفترة طويلة طيلة الليل بفضل خزان الماء المعزول حراريا وهى تنقسم لنوعيين رئيسيين حسب نوع المجمع الشمسى وفيما يلى انواع السخانات الشمسية
- سخانات شمسية ذا انابيب زجاجية تمتص اشعة الشمس لتسخين الماء وهى رخيصة نسبيا.
- سخانات شمسية بها الواح شمسية تمتص اشعة الشمس لتسخين الماء وهى اغلى من النوع السابق.
وعلى الرغم من المميزات الكثيرة للسخان الشمسى الا ان له بعض العيوب ويمكنك معرفتها من الرابط التالى: عيوب السخان الشمسى
اسعار السخانات الشمسية
تعتمد اسعار السخانات الشمسية على عدد من العوامل اهمها
- نوع السخان الشمسى هل هو انابيب زجاجية ام الواح شمسية.
- سعة خزان الماء بالسخان الشمسى ومتوفر بسعة 50-150-250-350 لتر ومدى سمك عزل السخان.
- الشركة المصنعة وبلد المنشأ.
فيما يلى اسعار السخانات الشمسية بمصر لعام 2023
- سخان مياه شمسي سعة 150 لتر مصنوع من ستانلس ستيل ماركة كوبرا موديل CNG 150-58/1800 بسعر 19500 جنيه.
- سخان مياه شمسي سعة 250 لتر مصنوع من ستانلس ستيل ماركة كوبرا موديل CNG 250-58/1800 بسعر 26600 جنيه.
- سخان مياه شمسي سعة 300 لتر به عدد 2 لوح طاقة شمسى ماركة ديلباسو بسعر 81000 جنيه.
مقارنة بين السخانات الشمسية وألواح الطاقة الشمسية
يمكن استخدام السخانات الشمسية فى تسخين الماء كما يمكن استخدام ألواح الطاقة الشمسية فى توليد الكهرباء لتشغيل الاجهزة الكهربية ومن ضمنها السخان الكهربى, فأيهما أفضل؟
فيما يلى مقارنة بين السخانات الشمسية وألواح الطاقة الشمسية
| مقارنة بين السخانات الشمسية وألواح الطاقة الشمسية | |
| ألواح الطاقة الشمسية | السخانات الشمسية |
| تعمل خلايا الطاقة الشمسية فى حالة الضوء الغير مباشر او الغيوم ولكن مقدار توليدها للكهرباء بالطبع يكون اقل | تحتاج السخانات الشمسية لضوء الشمس المباشر ولاتعمل فى حالة الغيوم والامطار |
| يمكن استخدام الكهرباء المتولدة فى تشغيل اى جهاز كهربى بما فيه السخان | تستخدم فقط لتسخين الماء ولا يمكن استخدامها فى تشغيل اجهزة كهربية!! |
| تحتاج الالواح الشمسية مساحة اكبر مقارنة بالسخان الشمسى | تحتاج السخانات الشمسية الى مساحة اقل مقارنة بألواح الطاقة الشمسية |
| البطارية غالية الثمن وتحتاج للاستبدال على خلاف خزان الماء المعزول والذى يحتاج الى تنظيف من الترسبات الكلسية فقط | تكلفة تخزين الماء الساخن بخزان معزول اقل من تكلفة تخزين الكهرباء بالبطارية |
| كفاءة الالواح الشمسية فى تحويل الطاقة الشمسية الى طاقة كهربية منخفضة وهى اقل من 30% | كفاءة السخانات الشمسية فى تحويل طاقة الشمس الى طاقة حرارية عالية وتصل الى 80% |
مميزات الطاقة الشمسية
للطاقة الشمسية مميزات كثيرة على غيرها من مصادر الطاقة وفيما يلى اهم مميزات الطاقة الشمسية
- طاقة متجددة
- طاقة نظيفة
- توفر استهلاك الكهرباء المحلية
- تكلفة التشغيل منخفضة لعدم احتياجها للوقود
- تكلفة الصيانة منخفضة
- لاتسبب ضجيج فى توليد الكهرباء كمولد الديزل
- تستخدم فى الاماكن النائية التى لايصلها الكهرباء
عيوب الطاقة الشمسية
على الرغم من المميزات الكبيرة للطاقة الشمسية على غيرها من الطاقات الا انها ايضا يشوبها بعض العيوب, وفيما يلى عيوب الطاقة الشمسية
- تكلفة عالية
- تعتمد على الاحوال الجوية
- ارتفاع تكلفة بطاريات تخزين الكهرباء وحاجتها للاستبدال بعد بضعة سنوات
- تحتاج الى مساحة كبيرة لنشر الالواح
- تعتمد على الموقع الجغرافى ولاتصلح لكل الاماكن
مميزات وعيوب الطاقة الشمسية
يوضح هذا الجدول مميزات وعيوب الطاقة الشمسية باختصار
| عيوب الطاقة الشمسية | مميزات الطاقة الشمسية |
| التكلفة الابتدائية لنظام الطاقة الشمسية عالية الثمن | الطاقة الشمسية هى طاقة متجددة لاتنضب مثل الوقود الاحفورى |
| تعتمد الطاقة الشمسية على سطوع الشمس بالتالى تتأثر الطاقة الشمسية كثيرا بالاحوال الجوية مما يسبب عدم الاستمرارية فى العمل فى غياب الشمس ويعتمد غلى وسائل لتخزين الكرباء او الماء الساخن | الطاقة الشمسية هى طاقة نظيفة لاتسبب التلوث مثل احتراق الوقود الاحفورى الذى ينتج غازات ملوثة مثل ثانى اكسيد الكربون |
| كفاءة الواح الطاقة الشمسية مازالت منخفضة | توفر الطاقة الشمسية فى استهلاك الكهرباء وتخفض فاتورة الكهرباء |
| ارتفاع تكلفة تخزين الكهرباء فى بطاريات وحاجة البطارية لللاستبدال كل بضعة سنوات مما يجعل استخدام الطاقة الكهربية ان كانت متوفرة ارخص من انشاء تظام للطاقة الشمسية | تكلفة التشغيل للطاقة الشمسية منخفضة لانها لاتحتاج الى وقود |
| على الرغم من ان الطاقة الشمسية هى طاقة نظيفة الا ان الالواح الشمسية بعد انتهاء عمرها الافتراضى تصبح مصدر للتلوث لعدم القدرة على اعادة تدويرها وصعوبة تحللها واحتوائها على كيماويات ملوثة للبيئة | تكلفة الصيانة منخفضة لعدم وجود اجزاء دوارة بها مثل مولد الديزل |
| قد تحتاج الى مساحة كبيرة لنشر الالواح وقد يسبب ذلك مشكلة فى بعض الاماكن | توليد الكهرباء بالطاقة الشمسية لايسبب ضجيج مثل مولدات الديزل |
| تعتمد على الموقع الجغرافى ولاتصلح لكل الاماكن حيث يفضل استخدامها فى دول الحزام الشمسى لتكون ذا جدوى اقتصادية | ارتفاع كفائة الطاقة الشمسية مع التطور التكنولوجى المستمر |
| يمكن استخدام الطاقة الشمسية فى تسخين الماء او توليد الكهرباء فى الاماكن التى لاتصلها الكهرباء او يستحيل توصيل الكهرباء اليها |
للمزيد قم بالاضطلاع على هذه المقالة من موقع ناشنوال جيوجرافيك
مَّا يَلْفِظُ مِن قَوْلٍ إِلَّا لَدَيْهِ رَقِيبٌ عَتِيدٌ