استكشاف مصادر الطاقة المتجددة: الطاقة الشمسية والرياح

الطاقة الشمسية: إمكانات وفرص

يعتبر الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى الأرض مورداً متجدداً للطاقة، قادراً على تلبية احتياجات العالم من الكهرباء من خلال عمليات التوليد والتخزين. يمكن تعريف الطاقة الشمسية بأنها الطاقة الضوئية والحرارية الناتجة عن الإشعاع الكهرومغناطيسي القادم من الشمس، والذي يمكن تحويله إلى أشكال أخرى من الطاقة.

تتصدر الصين قائمة الدول المنتجة للطاقة الكهربائية باستخدام الطاقة الشمسية كبديل للوقود الأحفوري. ومن الدول الرائدة الأخرى في هذا المجال الولايات المتحدة الأمريكية، والهند، واليابان، وفيتنام.

آلية توليد الطاقة الكهربائية من الشمس

يتم توليد الكهرباء من الشمس باستخدام الألواح الشمسية التي تحتوي على خلايا كهروضوئية. هذه الخلايا مبنية من طبقتين من مادة السيليكون، وهي مادة شبه موصلة. تتكون كل طبقة من نوع مختلف من السيليكون:

• طبقة من النوع N: تميل هذه الطبقة إلى فقد الإلكترونات وتتعرض مباشرة لأشعة الشمس.
• طبقة من النوع P: تميل هذه الطبقة إلى كسب الإلكترونات وتستقبلها في فراغات خاصة، وتوضع أسفل الطبقة الأولى.

تتم عملية توليد الكهرباء وفقًا للخطوات التالية:

1. تصل حزم الأشعة الشمسية على صورة فوتونات.
2. تصطدم الفوتونات بمادة السيليكون المكونة للخلايا الشمسية.
3. تفقد الطبقة (N) الإلكترونات، وتنتقل هذه الإلكترونات إلى الفراغات الموجودة في الطبقة (P).
4. يتم جمع الإلكترونات المتحركة على طبقة مصنوعة من مادة الألومنيوم الموصلة.
5. حركة الإلكترونات وتدفقها يؤدي إلى إنتاج تيار كهربائي.

نطاقات استخدام الطاقة الشمسية

تستخدم الطاقة الشمسية في العديد من التطبيقات الهامة، حيث يمكن الاستفادة من ضوئها وحرارتها في استخدامات أساسية في الحياة اليومية، مثل:

• توليد الكهرباء: تستخدم الطاقة الشمسية بشكل متزايد في توليد الكهرباء في مختلف المنشآت، مثل المنازل والشركات، ويمكن تخزين هذه الطاقة للاستفادة منها بعد غروب الشمس.
• تسخين المياه: يتم تصميم أنظمة خاصة لتسخين المياه المستخدمة داخل المباني، وذلك من خلال خلايا شمسية مثبتة على الأسطح. يمكن أيضاً الاعتماد على هذه الطاقة في تسخين مياه حمامات السباحة.
• التدفئة: تستخدم الطاقة الحرارية المتولدة من الشمس في التدفئة الداخلية، مثل الأرضيات المشعة. كما يمكن تصميم نوافذ المباني للاستفادة القصوى من أشعة الشمس للحصول على الدفء خلال الأيام الباردة.
• تطبيقات التهوية: تستخدم الطاقة الشمسية في تطبيقات التهوية لتبريد المباني خلال الصيف، ويمكن استخدام تقنيات التهوية لتدفئة المباني خلال الشتاء.
• توليد الطاقة الضوئية: تطوير تقنيات لتوليد الطاقة الضوئية بكفاءة وبتكلفة منخفضة، ويمكن استخدام هذه الإضاءة في المنازل والشوارع.
• تخزين الطاقة: استخدام الطاقة الشمسية في تخزين الطاقة المستخدمة في الشواحن الخفيفة المحمولة أثناء التنقل.
• وسائل النقل: البدء في استخدام الطاقة الشمسية في وسائل النقل المختلفة التي تعتمد على الطاقة الكهربائية لشحن هذه المركبات.

الميزات الإيجابية لاستغلال الطاقة الشمسية

هناك فوائد عديدة تشجع الدول والأفراد على الاستفادة من الطاقة الشمسية:

• توفرها في جميع أنحاء العالم بشكل متجدد يومياً وغير قابل للنفاذ، لأن وجودها يعتمد على وجود الشمس.
• يقلل الاعتماد عليها في توليد الكهرباء من فواتير استهلاك الكهرباء، ويمكن الاستفادة مادياً من الفائض من خلال تصديره إلى شبكات الكهرباء.
• تنوع الفوائد التي يمكن الحصول عليها من الطاقة الشمسية، فمن خلالها يمكن الحصول على الكهرباء والحرارة، بالإضافة إلى إمكانية تقطير المياه وتشغيل الأقمار الصناعية.
• قلة الحاجة إلى الصيانة وانخفاض تكاليفها، بالإضافة إلى مدة ضمان تتراوح عادة بين 20 و 25 عاماً، باستثناء العاكس الذي قد يحتاج إلى تغيير بعد 5 سنوات أو أكثر.
• قابليتها للتطوير والتحسين للاستفادة من مزاياها بصورة أفضل وأكثر فاعلية.

التحديات المصاحبة لاستخدام الطاقة الشمسية

تشمل أبرز المعوقات التي تحد من استخدامات الطاقة الشمسية ما يلي:

• تكاليف التركيب الأولية المرتفعة التي تشمل الألواح وبطاريات التخزين، مع توقع انخفاض هذه التكاليف في المستقبل.
• تأثرها بالظروف الجوية، حيث تنخفض فعاليتها في الأجواء الغائمة في فصل الشتاء بسبب انخفاض الأشعة الواصلة إليها.
• تكاليف التخزين المرتفعة للطاقة التي يتم توليدها، حيث يتطلب ذلك بطاريات ذات كفاءة عالية لتخزين الطاقة المتولدة خلال النهار والاستفادة منها ليلاً.
• الحاجة إلى مساحات تركيب واسعة، وتتناسب المساحة المطلوبة طرديًا مع مقدار الطاقة المراد توليدها.
• الارتباط ببعض الانبعاثات الملوثة للهواء والمتسببة في زيادة خطر الاحتباس الحراري، وقد تكون بعض الانبعاثات أثناء عملية التصنيع سامة.

طاقة الرياح: مصدر واعد للطاقة النظيفة

تنتشر طاقة الرياح على نطاق واسع في العالم، حيث بدأت قبل حوالي قرن من الزمان، ويمكن تعريفها بأنها أحد أكثر أشكال الطاقة المتجددة استخدامًا في توليد الطاقة الكهربائية، حيث وصلت إلى 16٪ من إجمالي الطاقة المتجددة بحلول عام 2016. يعتمد توليد هذه الطاقة على وجود توربينات الرياح، وتكون أقوى ما يمكن في الأماكن البعيدة وخاصة البحرية منها.

تتصدر الصين قائمة الدول المستخدمة لطاقة الرياح بقدرة استيعابية تفوق ثلث قدرة دول العالم مجتمعة، تليها الولايات المتحدة الأمريكية. ومن الدول الرائدة الأخرى ألمانيا والهند وإسبانيا والمملكة المتحدة وفرنسا والبرازيل وكندا وإيطاليا.

كيفية إنتاج الطاقة الكهربائية من الرياح

يعتمد توليد الطاقة الكهربائية من الرياح على وجود طواحين بشفرات ذات تصميم معين يسمح بتحويل الطاقة الحركية الميكانيكية للرياح إلى طاقة دورانية، ثم إلى طاقة كهربائية.

تتم العملية وفقًا للخطوات التالية:

1. تدفق الرياح واصطدامها بشفرات الطواحين، مما يتسبب في دوران هذه الشفرات.
2. تتصل هذه الشفرات بمولدات الطاقة الكهربائية من خلال محرك عمودي.

يعتمد مقدار الطاقة الكهربائية المتولدة من طاقة الرياح على سرعة دوران شفرات الطواحين، والعلاقة بين الطاقة المنتجة والسرعة طردية. ويمكن تفسير ذلك بمبدأ حفظ الطاقة الذي يوضح أن مقدار الطاقة الكهربائية المنتجة يعتمد على الطاقة الميكانيكية المدخلة بشكل مباشر.

تتفاوت متطلبات إنشاء وتركيب مولدات الطاقة الكهربائية من الرياح تبعًا لعدد من العوامل، مثل:

• مساحة المزرعة المراد تخصيصها لتوليد الطاقة، والتي تختلف حسب أعداد الطواحين المتوفرة.
• الطبيعة الجغرافية للمنطقة، حيث تلعب التضاريس الأرضية دورًا رئيسيًا في ذلك.
• التباعد المطلوب بين الطواحين اعتمادًا على حجم الشفرات وقطر دورانها حول المركز. يُنصح بترك مسافة بين الطواحين تتراوح بين 5 و 10 أضعاف قطر الدوران.

مجالات تطبيق طاقة الرياح

يمكن الاستفادة من طاقة الرياح بالاعتماد على سرعتها وكثافتها، وتتنوع هذه الاستخدامات بشكل كبير، ومنها:

• ضخ المياه من خلال الاستفادة من الطاقة الميكانيكية.
• توليد الطاقة الكهربائية بقدرة عالية تصل إلى 5 ميجاواط.
• طحن الحبوب.

المنافع المتأتية من استخدام طاقة الرياح

تعتبر فوائد استخدام طاقة الرياح من أهم الأمور التي ساهمت في انتشارها، ومنها:

• التكلفة الثابتة والمنخفضة مقارنة بالمصادر الأخرى للطاقة، بالإضافة إلى وقودها المجاني.
• توفير فرص عمل متنوعة في محطات توليد الطاقة، مثل التركيب والصيانة والتصنيع.
• اعتبارها من الاستثمارات الاقتصادية والصناعية الهامة في العالم.
• صديقة للبيئة ولا تؤدي إلى تشكل أي انبعاثات أو غازات ضارة على عكس المصادر غير المتجددة للطاقة الملوثة.
• عدم الحاجة إلى استيرادها من أي دولة، حيث يمكن توليدها في أي مكان بصورة محلية دائمة.
• استدامتها وعدم تعرضها للنضوب مع الاستخدام المتكرر.
• دعم الاقتصاد في الأماكن الريفية، كما أنها لا تستهلك مساحات كبيرة من أراضي المزارعين.

عوائق استخدام طاقة الرياح

يمكن تلخيص أبرز التحديات التي تعيق الاعتماد على طاقة الرياح في توليد الكهرباء فيما يلي:

• عدم قدرتها على منافسة المصادر الأخرى إذا كانت التكلفة معيارًا للمقارنة، ويحد من ذلك عدم توافرها أحيانًا بكمية تمكنها من ذلك.
• بعد المسافة بين الأماكن التي يمكن استخدامها في توليد طاقة الرياح وبين الأماكن التي تستفيد منها فعليًا، مما يؤدي إلى تكاليف إضافية تتطلب وجود شبكة لنقل الكهرباء.
• استنزاف مولدات 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. “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. “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. “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. “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. “Advantages and Challenges of Wind Energy”, Energy, Retrieved 28/09/2021. Edited.