الطاقة الشمسية

الطاقة الشمسية

الشمس هي المصدر الرئيسي للطاقة لجميع أنواع الحياة على الأرض. وتعتمد الحياة على الشمس، تستمد منها الحرارة والضوء، وتعتمد أيضاً عليها لإمدادها بالغذاء،

إذ تستخدم النباتات الطاقة الشمسية لإنتاج الغذاء خلال عملية التركيب الضوئي و تأكل الحيوانات النباتات، والحيوانات بدورها تأكلها حيوانات أخرى.



تجعل الطاقة الشمسية مناخ الأرض في تغيّر مستمر. فعلى سبيل المثال، يحدث المطر عندما يتبخر الماء بوساطة حرارة الشمس، ثم يتكثف ويسقط مرة أخرى على الأرض. وتحدث الرياح بسبب أن أشعة الشمس أقوى عند خط الاستواء منها عند القطبين. ولذلك فهي تسخن الهواء في المناطق الاستوائية فيرتفع، مما يتيح الفرصة للهواء البارد من المناطق القطبية ليحلّ محله. وهذه التحركات تسبب تيارات هوائية تدور حول الأرض. وتتأثر هذه التيارات بدوران الأرض، وهيئة سطح اليابسة، واختلاف كمية الرطوبة في الجو. وبالطريقة نفسها تتكون تيارات المحيطات بوساطة الرياح وتدفئة الشمس للمياه الاستوائية مما يؤدي لسريان المياه القطبية الباردة تحتها.

و تتألف الطاقة التي تطلقها الشمس، من ضوء الشمس و حرارتها وأشكال أخرى من الإشعاع الكهرومغناطيسي. وتنتج الطاقة الشمسية التفاعلات النووية التي تحدث داخل الشمس.

وترسل الشمس في كل 40 دقيقة كمية من الطاقة مساوية للطاقة التي يستهلكها جميع سكان الأرض خلال سنة كاملة. ويستخدم الناس جزءًا من الطاقة الشمسية التي تصل إلى الأرض بصورة مباشرة. ويطور العلماء طرقاً جديدة لاستغلال الطاقة الشمسية واستخدامها عند الحاجة.

نبذة تاريخية :

استفاد الناس من الطاقة الشمسية منذ العهود القديمة. ففي القرن الخامس ق.م كان الإغريق يعرفون أن الكرات الزجاجية الممتلئة بالماء تستطيع أن تركّز أشعة الشمس وتشعل النيران. وبحلول القرن الثالث ق.م استخدم الإغريق والصينيون المرايا المنحنية لتركيز أشعة الشمس لإشعال النار. و في الفترة الواقعة بين القرن العاشر الميلادي وسنة 1300م كان هنود الأناسازي ـ الذين عاشوا في الجنوب الغربي للولايات المتحدة ـ يبنون بيوتهم بجدران ضخمة من الحجارة أو الطوب على الجهة الجنوبية للبيت. وكانت هذه الجدران تمتص الحرارة خلال النهار وتُشُّعها خلال الليل.

وتطورت مجمعات اللوحات المستوية الحديثة من التجارب الأولية على الصناديق الحارة. وبنى العالم السويسري هورس بيندكت دي سوسير أول صندوق حراري في سنة 1767م، مستخدماً صندوقاً خشبياً مغطى بالزجاج، مع عازل من الفلين، لتجميع ضوء الشمس. وطوّر المهندس الأمريكي ويليم ج. بيلي أول مجمع لوحي مسطح حديث في كاليفورنيا سنة 1909م.

وفي سنة 1940م، بنى المهندس المعماري الأمريكي جورج فرد كيك أول بيت شمسي سلبي في إحدى ضواحي مدينة شيكاغو، وغطى الجزء الأكبر من الجدار الجنوبي بنوافذ مصنوعة من طبقتين من الزجاج بينهما طبقة رقيقة من الهواء محبوسة بإحكام. وفي عام 1954م، صنع مهندسو معامل بل للهاتف خلية ضوئية فلطية ذات كفاءة عالية.

وخلال السبعينيات والثمانينيات من القرن العشرين الميلادي، أدى النقص في البترول والغاز الطبيعي إلى تطوير تقنية الخلايا ذات الكفاءة الأفضل. وفي بعض مناطق العالم أصبحت البيوت الشمسية الجديدة بديلاً اقتصادياً عن البيوت التي تدفأ بوساطة الغاز أو الكهرباء. يعتقد المختصون أن استخدام الناس للطاقة الشمسية المباشرة في زيادة مطردة. وإنتاج الأجهزة الشمسية بالجملة وتطوير أجهزة أفضل، سوف يحسِّن باطراد الميزات الاقتصادية لاستخدام الطاقة الشمسية المباشرة.

نظريات الطاقة الشمسية والفرن الحراري النووي
نظريات الطاقة الشمسية: حاول الكثيرون التوصل إلى تفسير يوضح الكيفية التي تبث بها الشمس الضوء والحرارة. واعتقد بعض العلماء أنها كرة عملاقة من الفحم المشتعل. وظن آخرون أن تساقط الشهب عليها هو السبب في انطلاق طاقتها. وفي عام 1800م ظن كل من هيرمان فون هيلمولتز الألماني الجنسية واللورد كلفين من بريطانيا، أن الشمس تستمد طاقتها من استمرار عملية الانكماش البطيء فيها. وقد كانت جميع هذه الأفكار والنظريات خاطئة.

يعتقد العلماء أن الشمس تكوَّنت منذ مايقرب من 4,600,000,000 سنة. ولا توجد وسيلة أخرى تمكّن الشمس من الاستمرار في إضاءتها وحرارتها كل هذه السنين إلا عن طريق الطاقة النووية. ولم يمض عام 1900م حتى تمكن بعض العلماء من صياغة نظريات عن الطاقة النووية.

أوضح الفلكي البريطاني السير أرثر أدنجتون أن درجة حرارة مركز الشمس تبلغ عدة ملايين من الدرجات المئوية. عند هذه الدرجة تتحد نويات الذرات، في عمليات الاندماج الحراري النووي. وجاء عالم الفيزياء هانز بيتي من الولايات المتحدة الأمريكية، وكارل فون فايسكر من ألمانيا في الثلاثينيات من القرن العشرين ليوضحا هذا الرأي. وبيَّنا أن عملية الاندماج الحراري النووي قادرة على إيجاد كمية من الطاقة كافية لأن تظل الشمس في إشعاعها إلى بلايين السنين.

الفرن الحراري النووي: تنتج عن تَحوُّل الهيدروجين إلى هليوم داخل الشمس طاقة حرارية وضوئية. وينتج الهليوم خلال عدة تفاعلات نووية. وعادة مايعبر العلماء عن هذه التفاعلات الحرارية النووية بأنها احتراق لعنصر الهيدروجين. غير أن هذه التفاعلات ليست عملية احتراق بالمعنى الذي نفهمه عن احتراق بعض المواد كالورق أو الخشب مثلاً.

وأهم التفاعلات النووية في الشمس هي سلسلة البروتون ـ بروتون. وهذه التفاعلات تشمل كلاً من البروتونات والنيوترونات، المكونين الرئيسيين الموجودين في الذرة. وتشمل أبسط هذه التفاعلات ثلاث مراحل؛ في المرحلة الأولى يتحد بروتونان من نواتي هيدروجين أو يندمجان معاً، وفيها يتحول أحد البروتونين مباشرة إلى نيوترون في عملية تعرف بتآكل بيتا (الانحلال البيتاوي). يكوِّن هذا النيوترون مع البروتون الآخر نواة لنوع من الهيدروجين يسمى ديوتريوم. وفي المرحلة الثانية من تفاعل البروتون ـ بروتون تجذب نواة الديوتريوم بروتونًا آخر لتصبح نوعاً خفيفاً من الهيليوم. في المرحلة الثالثة تتحد نواتان من الهيليوم الخفيف لتكونا نواة هليوم عادي. وعندما يندمجان ينطلق منهما بروتونان. ويكون لنواة الهيليوم الناتجة بروتونان ونيوترونان. وعلى ذلك فإن تفاعل البروتون ـ بروتون تحول أربعة بروتونات إلى نواة هليوم واحدة. غير أن نواة الهيليوم تحتوي على مادة أقل قليلاً مما كانت تحتويه البروتونات الأربعة منفصلة. فبعض المادة التي تكونت منها البروتونات الأربعة قد أصبح هو الطاقة التي تشعها الشمس.

وهناك تسلسل آخر من التفاعلات النووية، ينتج طاقة شمسية أقل قليلاً مما ينتجه تفاعل البروتون ـ بروتون. وهذه التفاعلات تكون دورة الكربون ـ نيتروجين ـ أكسجين. وفي هذه الدورة تضاف مقادير من البروتونات إلى نويات كل من الكربون والنيتروجين والأكسجين. ويتحول الكربون إلى نيتروجين ويتحول النيتروجين في بعض الأحيان إلى أكسجين، ولكنه غالباً ما يتحول إلى كربون. وتدخل بعض النويات التي تكونت في عملية تآكل بيتا. وبعد إضافة أربعة بروتونات، تنطلق واحدة من نويات الهيليوم.

يُعدّ عنصر الهيدروجين العنصر الأكثر توفرًا في الكون، إذ أنه وحده يكوِّن ثلاثة أرباع كتلة الشمس. وتحتوي الشمس على كمية من الهيدروجين تكفي لأن تبقى مشعة إلى بلايين السنين.

الطاقة الشمسية المختزنة

يمكن النظر إلى التساقط والرياح وتيارات المحيطات جميعها على أنها طاقة شمسية مختزنة. ويصب كثير من المطر النازل على الأرض في الأنهار. وتجمع محطات القدرة الكهرومائية التي تُبنى على ضفاف الأنهار طاقة المياه المتحركة. ويستخدم الناس الرياح لتحريك المراكب الشراعية والطواحين الهوائية. ويمكن إنشاء مجموعة كبيرة من الطواحين الهوائية تسمى حقول الرياح لتوليد الكهرباء في المناطق التي تكون فيها الرياح مستقرة وقوية. ويطور العلماء والمهندسون طرقاً لاستخدام طاقة أمواج المحيطات، كما يقومون بدراسات للاستفادة من الطاقة الحرارية في مياه المحيطات.

والطاقة الشمسية مختزنة أيضًا في النباتات والحيوانات. ويمكن استخدام هذه الطاقة بعدّة طرق مختلفة. فعلى سبيل المثال، يمكن أن تُحرق الأشجار كحطب للوقود. ويمكن تخمير الغلال كالذرة وقصب السكر لإنتاج الكحول، وهو وقود شبيه بالبترول. والنفط والفحم الحجري والغاز الطبيعي أنواع من الوقود تكوّنت من بقايا النباتات التي عاشت قبل ملايين السنين، لذلك فهي تحتوي على طاقة شمسية كانت مختزنة في الأرض منذ عهود بعيدة. وما لدينا من هذا الوقود يتضاءل بمرور الزمن. لذا فإن الناس يعملون على زيادة الاستخدام المباشر لطاقة الشمس

أسرار الطاقة الشمسية

اخترع الناس عدة طرق لاستخدام الطاقة الشمسية بصورة مباشرة. وتشمل هذه الاستخدامات، تسخين المياه، وتدفئة المباني وتبريدها، وتوليد الكهرباء وطبخ الطعام.

التسخين الشمسي: يسخن كثير من الناس في المناطق الدافئة الماء بسخانات دفعية بسيطة قليلة التكلفة. ويتألف السخان الدفعي بصورة رئيسية من صهريج معزول مع عدة طبقات من الزجاج تغطي جانب الصهريج المتجه نحو الجنوب. ويصبغ المصنعون الجزء الخارجي من الصهريج باللون الأسود، وذلك لأن اللون الأسود يمتص ضوء الشمس أكثر من الألوان الأخرى. وتحوّّل السطوح السوداء أشعة الشمس إلى حرارة تسخن المياه. ويمنع الزجاج الجزء الأكبر منالحرارة من التسرب من الصهريج. ويرتفع الماء الساخن إلى أعلى الصهريج ويسير من هناك مباشرة إلى الصنبور.



وتُُستخدم نبائط تسمى المجمعات المستوية الألواح لتسخين الماء والهواء داخل المباني. ويتألف المجمع المستوي اللوح بصورة رئيسية، من صندوق معزول مغطى بطبقة واحدة أو عدة طبقات من الزجاج النظيف أو البلاستيك. وفي داخل الصندوق لوح من حديد أسود أو بلاستيك أسود. ويمتص اللوح أشعة الشمس ويحولها إلى حرارة تحبس تحت الزجاج. ويدور الهواء أو الماء أو سائل آخر خلال أنابيب ملتحمة مع اللوح ويمتص الحرارة من اللوح، ثم ينساب الماء الساخن إلى مبادل حراري حيث ينقل حرارته الى الماء. ويُخزن الماء الساخن في صهريج يُضخ منه إلى الصنابير في البيت.

وتستخدم مبانٍ عديدة أنظمة الطاقة الشمسية المنفعلة لتسخين الهواء. ولهذه المباني، في معظم الحالات، نوافذ واسعة باتجاه الجنوب لأسر الحرارة. وأثناء النهار يمر ضوء الشمس خلال هذه النوافذ ويسخّن الجدران والأرضيات المصنوعة من الحجر أو الطوب. وتطلق هذه الجدران والأرضيات الحرارة أثناء الليل. ويمكن تخزين مزيد من الحرارة بوضع الماء أو بعض المواد متغيرة الطور داخل الجدران. وتنصهر المواد متغيرة الطور عند درجة حرارة الغرفة تقريباً. وعند انصهارها، تخزن هذه المواد كميات كبيرة من الطاقة. وتطلق هذه المواد فيما بعد هذه الحرارة عندما تصبح صلبة مرة أخرى. وفي المباني

التي تحتوي على أنظمة طاقة شمسية سلبية، تساعد الأغطية والستائر العازلة على حفظ الحرارة ومنعها من التسرب خلال الشبابيك أثناء الليل

التكييف الشمسي: تستخدم أغلب أنظمة التكييف الشمسي مجمّعات شمسية ومواد خاصة تسمى المجفّفات باستطاعتها أن تمتص كميات كبيرة من الماء. وتبدأ عملية التكييف عندما تدفع المراوح الهواء من الخارج خلال المجفّفات التي تزيل الرطوبة من الهواء. ويسير بعدها الهواء خلال عجلة دوارة تعمل كمبادل حراري يزيل الحرارة. ويمر الهواء بعدها فوق سطح مبلل بالماء. وعندما يلامس الماء الهواء الجاف يتبخر ويمتص مزيداً من الحرارة من الهواء. ويمرّ الهواء البارد خلال المبنى، وعندما يغادر الهواء المبنى يسخنه المجّمع الشمسي مرة أخرى. ويُجفِّف المجفف بدفع الهواء الساخن خلاله مرة أخرى، وتبدأ العملية من جديد.

إنتاج الكهرباء: يمكن استخدام الطاقة الشمسية المباشرة لتوليد كهرباء. ويُستخدم نوعان أساسيان من النبائط لهذا الغرض هما الخلايا الضوئية ومجمّعات الحرارة العالية.

الخلايا الضوئية الفلطية: وتسمى كذلك الخلايا الشمسية. تتألف من شرائح رقيقة من مواد شبه موصلة. عندما تسطع الشمس على الخلايا الضوئية الفلطية، فإن هذه الخلايا تغيّر جزءاً من الطاقة الشمسية الساقطة عليها إلى طاقة كهربائية. ويمكن استخدام صف من هذه الخلايا لتشغيل الأجهزة الإلكترونية. وتُستخدم الخلايا الضوئية في معظم الأقمار الصناعية وفي بعض الحاسبات الإلكترونية.

مجمعات الحرارة العالية.وتسمى أيضاً الأفران الشمسية. تولد هذه المجمّعات كميات كبيرة من الكهرباء. وفي أحد أنواع مجمعات الحرارة العالية، يركِّز عدد كبير من المرايا المسطحة أو المنحنية قليلاً أشعة الشمس على هدف، مثل قطعة فلزية. ويُضخّ سائل مثل الماء، داخل الهدف حيث يسخن. ويحمل البخار أو الغاز الناتج من تسخين السائل الطاقة الحرارية إلى التربينات التي تولد الكهرباء.

الطبخ الشمسي: يتم الطبخ الشمسي باستخدام عاكسات مكافئية الشكل(على شكل صحن) لتركيز أشعة الشمس على الطعام أو على القدر الذي يحتوي عليه. ويمكن كذلك استخدام الفرن الشمسي وهو صندوق معزول يحتوي على نافذة وعدة سطوح عاكسة داخلية. ويسخن الفرن عندما توضع النافذة باتجّاه الشمس.



multicrystalline

الأخطار الناجمة عن الأشعة الشمسية

سنتحدث في هذا العنوان عن التأثير السلبي للطاقة الشمسية على جسم الإنسان. فالإشعاعات الصادرة من الشمس لها تأثير مباشر على جسم، و التي تنجر من خلالها نتائج سلبية على الإنسان؛ قد تؤدي به إلى الموت.ويعتبر سرطان الجلد من أهم النتائج الوخيمة الناجمة عن الأشعة الشمسية, وهو السبب الأول في نسبة الوافيات في العالم.

يكوّن الجلد باستمرار، مثل كل الأنسجة الحية تقريبًا، خلايا جديدة لتحل محل الخلايا الميتة. ولكن بعض العوامل الضارة ـ خاصة أشعة الشمس ـ قد تتلف الجينات (المادة الوراثية) الموجودة في خلايا الجلد. ويؤدي تلف بعض الجينات المعينة، إلى تكاثر الخلايا بصورة شاذة وجامحة، عوضًا عن انقسامها بالطريقة المنتظمة المعتادة. وينشأ السرطان عن هذا التكاثر الشاذ الخارج عن السيطرة.

إن أفضل طريقة لمنع سرطان الجلد، هي حماية الجلد من التعرض المفرط لأشعة الشمس. ويعتقد الأطباء أن بإمكان الناس تجنب العديد من سرطانات الجلد عن طريق استخدام الحاجب الشمسي وارتداء الملابس الواقية.

يصنف الأطباء سرطان الجلد في فئتين عريضين، تعكسان مستويات الخطورة المختلفة للمرض. وتضم الفئة التي تتسم بخطورة أكبر، سرطان الجلد الخطير المعروف باسم الملانوم (الورم الملاني). بينما تضم الفئة الأخرى سرطان الجلد اللا ملانومي، الذي يتميز بسهولة معالجته.

الملانوم ينشأ في الخلايا الملانية، وهي الخلايا المنتجة للصبغة التي تعطي الجلد لونه الطبيعي. وقد يبدأ بعض أنواع الملانوم كشامة (خال) تتحول إلى سرطان. بينما تنمو أخرى في الجلد دون علامات مسبقة. والملانوم سرطان بالغ الخطورة يميل للانتشار إلى أجزاء الجسم الأخرى. ولكن معظم أنواع الملانوم التي يتم الكشف عنها مبكرًا، يمكن علاجها باستئصال الورم ومساحة من الأنسجة السليمة المحيطة به. وحيث أن الكشف المبكر أمر في غاية الأهمية، يوصي الأطباء بأن يتعرف الناس على العلامات التحذيرية الدالة الإصابة بالملانوم، ومن ثم العمل على فحص جلودهم بصورة منتظمة. وفحص الجلد أمر مهم خاصة بالنسبة للأشخاص المعرضين بصورة أكبر للإصابة بالملانوم. وتشمل العوامل التي تزيد من مخاطر الإصابة بالمرض، أن تكون للمرء بشرة فاتحة وعيون خضراء أو زرقاء، أو أن يكون لديه عدد كبير من الشامات، أو أن يكون قد سبق أن أصيب بالملانوم.

لقد طور الأطباء معينًا للذاكرة يسمى ل ح ت ق لمساعدة الناس على تذكر كيفية تقويم البقع الملونة بغرض اكتشاف علامات الخطر الدالة على الإصابة بالملانوم. وفي ل ح ت ق، يرمز الحرف ل إلى اللاتماثل - أي أن شكل أحد الجوانب يختلف عن شكل الجانب الآخر؛ ويرمز الحرف ح للحدود غير المنتظمة، ويرمز الحرف ت لتغير اللون، بينما يرمز الحرف ق للقطر الذي يزيد طوله على 6ملم (حجم ممحاة قلم الرصاص تقريبًا). ينبغي على الناس مراجعة الطبيب فورًا بشأن أي بقعة تتوفر فيها أي من هذه الخصائص.

سرطان الجلد اللاملانومي. يتمثل في نوعين رئيسيين هما سرطان الخلية القاعدية وسرطان الخلية الحرشفية. وكلاهما قد يأخذ أشكالاً عديدة مختلفة، تشمل أوراقًا صغيرة حمراء أو لؤلؤية؛ أو بقعًا مسطحة، حرشفية وحمراء؛ أو قروحًا لا تندمل. ويوصي الخبراء الناس بضرورة استشارة الطبيب المختص بشأن أي تغير في جلودهم يستمر لفترة تزيد على ثلاثة أسابيع تقريبًا.

وسرطان الخلية القاعدية هو أكثر أنواع هذه السرطانات شيوعًا، وهو لا ينتقل إلى أماكن أخرى خارج الجلد إلا في حالات نادرة. ويزيد احتمال انتقال سرطان الخلية الحرشفية قليلاً على احتمال انتقال سرطان الخلية القاعدية. ولأن معظم هذه السرطانات لا تنتقل في العادة إلى أجزاء أخرى من الجسم، فإنه يمكن معالجتها وشفاؤها عن طريق استئصال الجلد المصاب، بينما يصعب الشفاء من السرطان الذي انتقل إلى أجزاء أخرى من الجسم. فالأشخاص الذين سبقت لهم الإصابة بأحد أنواع سرطانات الجلد اللاملانومية، سيكونون معرضين بصورة أكبر لمخاطر الإصابة بسرطانات أخرى في جلودهم أو في أعضائهم الأخرى. وينبغي على كل شخص أصيب بسرطان الجلد من قبل، أن يخضع لفحوصات طبية منتظمة..

العلامات التحذيرية الدالة على الإصابة بالملانوم تساعد الإرشادات المتمثلة في الاختصار ل ح ت ق، الناس على تذكر كيفية مراقبة الشامات بغرض اكتشاف علامات الخطر الدالة على الإصابة بالملانوم، أكثر سرطانات الجلد خطورة. وفي هذا الاختصار، يرمز الحرف ل إلى اللاتماثل، والحرف ح للحدود، والحرف ت لتغير اللون، والحرف ق للقطر.

اللاتماثل

يختلف شكل أحد النصفين عن شكل النصف الآخر

الحدود

حول الشامة (الخال) غير منتظمة بصورة لافتة للنظر.

اللون

يتغير لون الشامة من منطقة إلى أخرى.

القطر

يزيد عن قطر ممحاة قلم الرصاص

اقتباس :