الطاقة الشمسية Solar energy

الطاقة الشمسية 

 Solar energy

(نرجو إرسال آراؤكم بخصوص هذه المواد العلمية لتطويرها، ونستقبل ما يثريها)
م. بدرالدين حمدي مدوخ

أولاً: طرق توليد الطاقة الكهربائية عن طريق الطاقة الشمسية:

النوع الأول : محطات الطاقة الشمسية الحرارية:

أنواع محطات الطاقة الشمسية الحرارية:

تعتمد فكرة إنشاء محطات الطاقة الشمسية الحرارية على استخدام الطاقة الحرارية المتركزة و المتجمعة في المجمعات الشمسية، واستغالها لرفع درجة الحرارة المستخدمة في التبخير ليتم تحويلها بعد ذلك لطاقة كهربائية من خلال جعل الأبخرة الناتجة تقوم بتدوير المولد الكهربائي المتصل بالنظام المعد.

ينبغي هنا الإشارة إلى أن مثل هذه الطريقة في توليد الطاقة الكهربائية تكون أكثر نفعاً في المناطق المشمسة بشكل جيد و التي يكون جزء كبير من أشعة الشمس يسقط عليها عمودياً.

1- محطة المزرعة الشمسية solar farm power plant

ولاستخدام مثل هذه الطرية يتم تصميم و بناء ما يعرف بمحطات مزارع الطاقة الشمسية solar farm power plant  . في هذه المزارع يتم تنصيب المرايا (المصنعة على شكل ما يعرف بالقطع المكافئ –كطبق الإستقبال) بشكل متوازي بحيث يتم تركيز أشعة الشمس الساقطة عليها. و يتم وضع أنابيب امتصاص في منتصف هذه الأطباق حيث نقطة تجمع الأشعاع الشمسي الساقط، ويتم تمرير ماء أو زيت حراري في هذا الأنبوب، كما يتم وضع أنابيب الإمتصاص في غلاف زجاجي مفرغ من الهواء. كما أن جزءاً من الطاقة المنتجة تستخدم كعامل محفز ليساعد في تحسين حرارة البخار.

المكونات الرئيسة لمحطة المزرعة الشمسية كما هو موضح في الصورة التالية:

1-      أنبوب الإمتصاص : absorber tube ، وبها الناقلة للحرارة heat transfer fluid

2-      العاكس الشمسي أو المجمِع الشمسي أو الطبق الشمسي : solar collector or parabolic trough or reflector

3-      المساعد الحراري : additional heating

4-      المكثف الحراري : Condenser

5-      التوربينة : Turbine

6-      المولد : Generator

7-      برج التبريد : cooling tower

 

من العوامل المهمة والتي تدخل في تحديد كفاءة مثل تلك المزارع أو المحطات، هو ما يعرف بنسبة التركيز للإشعاع، وهي عبارة عن النسبة بين السطح المنفتح للطبق الشمسي و سطح أنبوب الإمتصاص. فلو كانت نسبة التركيز للإشعاع في أحد هذه المزارع بين 20…100، يمكن على إثرها تسخين المادة الحرارية السائلة المتدفقة داخل أنبوب الإمتصاص لدرجة لدرجة حرارة تقع بين 350..400  درجة مئوية.

كما لا بد من الإشارة إلى أن من سلبيات مثل هذه النظم هو احتياجها لمساحات واسعة، حيث أن انتاج قدرة كهربائية قيمتها كيلو وات واحد تحتاج إلى مجمع شمسي بمساحة تتراوح بين 10 إلى 18 متر مربع! وهذا يعني أيضاً إرتفاع في التكلفة.

وتعتبر المحطة الأكبر في العالم حالياً والتي تعمل بهذا النظام موجودة في صحراء موهافي بجنوب شرق ولاية  كليفورنيا بالولايات المتحدة الأمريكية حيث تنتج حالياً 354 ميجا وات، (ويبلغ المعدل السنوي ل كمية الإشعاع الشمسي الساقط على صحراء موهافي 2400 kWh/m2 ). ولقد تم تأسيس هذه المحطة في عام 1980م. وهي تتكون من تسع محطات شمسية مجتمعة.

صورة لجانب من المرايا المجمعة ذات أنابيب إمتصاص داخل غلاف زجاجي مخلخل من الهواء في محطة موهافي – كاليفورنيا

 إن حوض كل مرآة مقعرة يبلغ عرضه 6 متر و طوله 100 متر، ويتكون الحوض  من 224 عنصر مجتمعة. تبلغ مساحة المرآة 545 متر مربع. أنبوب الإمتصاص لها قطر يساوي 70 مم. يتم تجميع أحواض المرايا المقعرة بشكل متوازي سوياً، وعلى محور واحد بالنسبة لوجهتها نحو الشمس. وبذلك نحصل على نسبة تركيز مقدارها ثمانون (80). المساحة المستخدمة في ذلك 2.3 مليون متر مربع. وهذه المساحة تعتبر كبيرة جداً. أكبر تجمع من هذه التجمعات المكونة لهذه المحطة ينتج 80 ميجا وات. تبلغ درجة الكفاءة من 10 إلى 15% كحد أقصى. لقد تم استثمار ما قيمته 1.2 مليار دولار.

وبخصوص تكلفة إنتاج الطاقة تعتبر هذه الطريقة أقل تكلفة بالنسبة لغيرها من طرق إنتاج الطاقة عن طريق الطاقة الشمسية لكنها أعلى من تكلفة الإنتاج بالطرق الأخرى عن طريق الوقود أو الغاز أو غيرها. ناهيك عن أن تكلفة نصب المثل هذه الأنواع من المحطات باهظة كذلك.

نود الإشارة هتا إلى أن السلطات الأمريكية في كيليفورنيا بدأت بزيادة كفاءة هذه المحطة لتصل إلى 1000 ميجا وات حتى عام 2013م. وستبلغ تكلفة هذه التوسعة إلى 2.1 مليار دولار، وتبلغ المساحة المقام عليه المشروع 2800 هكتار، و الهكتار يبلغ عشرة ألاف متر أي عشر دونمات، هذا يعني أن هذه المساحة تقدر بثمانية وعشرين ألفاً من الدونمات. ويتوقع أن تقترب تكلفة الكيلو واط المنتج بهذه الطريقة من تكلفته لو تم إنتاجه باستخدام الغاز الطبيعي. بقي أن نشير أن 25% من الطاقة المنتجة تستخدم لتحسين ورفع درجة حرارة البخار الناتج.

وتعتبر مدينة إشبيلية في إسبانيا ثاني مدينة تنتج الطاقة الكهربائية بهذه الطريقة حيث تنتج 150 ميغاواط.

ما زال مجال البحث مفتوح في مجال تحسين قدرة أنتاج الأبخرة وتحسين تصميم المجمعات الشمسية.

2- : محطات الطاقة ذات البرج الشمسي:

يتبع..إن شاء الله

3- محطات الطاقة ذات الخلايا الشمسية photovoltaic cells

1- التطور التاريخي للخلايا الشمسية:

ظاهرة الضوئية يرجع اكتشافها للعالم بيكيورل و ذلك في العام 1839 عن طريق الإنحلال الكهربائي، لكن لم يتم الإستفادة منها عملياً.

العالم سميث وفي عام 1873 اكتشف أن المقاومة الكهربائية لمادة السيلينيوم تتغير بتغير شدة الضوء، وهذا ما يعرف  بالظاهرة الكهربائية الداخلية (internal photoelectric effect). هذه الظاهرة تم استخدامها فيما بعد كقياس للضوء.

في العام 1888 اكتشف العالم هول واكس ظاهرة جديد، وهذه الظاهرة تم تفسيرها من خلال العالم أينشتاين، وذلك في العام 1905 من خلال نظريته الكم للضوئي(Quantum Theory of Light)، وتعرف هذه الظاهرة بالظاهرة الكهربائية الخارجية (Outer photoelectric effect) . الظاهرة الجديدة التي اكتشفها العالم هول واكس أنه عندما نقوم بإسقاط أشعة فوق بنفسجية على لوح من الزنك، يمكن أن نحصل على تيار كهربائي ضعيف.

في عام 1954 وأثناء عملهم في مختبر شركة بيل للتليفونات، اكتشف الثلاثي بيرسون وشابين وفولر، اكتشفوا أن السيلكون المقوم يمكن أن يعطي تيار كهربائي عند الإضاءة.

في العام 1959 تم تجهيز أول ستالايت أمريكي (فانجوراد 1) بخلايا شمسية.

بعد أزمة البترول في سبعينيات القرن الماضي و خصوصاً بسبب حرب أكتوبر عام 1973 وإيقاف العديد من الدول العربية ضخ النفط للغرب، بدأ الغرب في البحث عن بدائل، واستثمر كثيراً في هذا الجانب. هذا البحث المكثف أثمر في عام 1976عن اختراع أول خلية شمسية من السيلكون غير المتبلور (غير بلوري).

2- القواعد الفيزيائية لعمل الخلايا الشمسية:

مادة السيلكون تعتبر من شبه الموصلات، ومن خصائصها أنها عند درجة الحرارة المنخفضة وعند عدم تعرضها للضوء، تبقى الذرات متحدة فيما بينها، وتعمل على بناء بلورة غير موصلة كهربائياً. في درجة الحرارة العادية- حرارة الغرفة- تتفكك أحاد من ظاهرة التكافؤ الإلكتروني خارج شبكتها الترابطية مما يمكن من حدوث توصيل كهربائي. ظاهرة القدرة على التوصيل الكهربائي هذه تزداد مع ازدياد درجات الحرارة و بتأثير الضوء. وإذا فاعلنا السيلكون مع مواد لها ذرات خماسية أي ذرات خماسية التكافؤ، كالفسفور، والزرنيخ والأنتيمون، فإنه ينشأ سيلكون سالب الشحنة (أيونات سالبة) n(negative).

 الإلكترونات المتكافئة في السيلكون تكون متماسكة في هيكل البلورة، فإنه ومن خلال إطلاق الإلكترونات عليها يصبح السيلكون له خاصية التوصيل.

 وعند مفاعلة السيلكون مع مواد ثلاثية الذرات أي ثلاثية التكافؤ، كالبورون والإنديوم والجاليوم، يحدث نقص في إلكترونات الذرات المتكافئة المتواجدة في الشبكة المترابطة .هذا النقص ينشأ عنه فراغات يتم ملؤها عن طريق الإلكترونيات المتجاورة. هذه الفراغات الإيجابية في السيلكون P(ositive) تعادل نقل الشحنات الموجبة.

في حالة تم جمع أشباه موصلات سالبة (n-type semiconductor) مع أشباه موصلات موجبة

(n-type semiconductor)، فإنه ينشأ مرحلة انتقال موجبة سالبةtransition  p/n-.

مساحات الإحتكاك تؤثر على الشحنات الكهربائية كطبقة عازلة، والتي يمكن تجاوزها في الإتجاهين. ولذلك يمكن استخدام مرحلة الإنتقال الموجبة السالبة كموحد تيار diode .

 عند تعريض السيلكون للإشعاع عن طريق فوتونات مشبعة بالطاقة، فإنه ينتج أزواج من الفراغات الإلكترونية بسبب امتصاص الإشعاع. حاملات الشحنات الحرة تعمل على جعل الطبقة العازلة تتجه للإتجاه المعاكس من خلا تأثير المجالات الكهربائية الداخلية، وهذا يعني أن الإلكترونات تترك أشباه الموصلات الموجبة للسالبة، والفراغات تترك أشباه الموصلات السالبة  للموجبة.

الفصل بين حاملات الشحنات يؤدي إلى اختلاف في الجهد بين نقاط الإحتكاك على السطح الخارجي لأشباه الموصلات. عند توصيل شيء ما للإستهلاك  فإنه ينتج تيار ضوئي ثابت. هذا يعني أن السطح الخارجي لأشباه الموصلات السالبة تمثل القطب السالب.

 ولتوضيح النقطة الأخيرة فإننا يمكن أن نجملها بالآتي : تثار إلكترونات المدار الخارجي لذرات المواد شبه الموصلات وخاصة مادة السيلكون بسبب فوتونات الضوء الساقط وتبدأ هذه الإلكترونات بالانتقال بين الذرات. وبسبب طبيعة التطعيم الخاصة لهذه المواد فإن الإلكترونات تجبر على التحرك باتجاه واحد فقط حيث توجد فجوات حرة (أشبه بعمل الوصلة الثنائية أو مانسميها الدايود). تنشأ أيضا فجوات جديدة في الاتجاه المعاكس لحركة الإلكترونات. يكون التيار الكهربائي هو محصلة كل من حركية الإلكترونات وحركية الفجوات.

يُتبع إن شاء الله….

 

One Response to “الطاقة الشمسية Solar energy”

  1. وليد حسين حمزة says:

    مشروع تدوير الصرف الصحى بمخلفاته والمخلفات الزراعية

    – الهدف :
    القضاء تمام عن التلوث الناتج من مخلفات الصرف الصحى والمخلفات الزراعية وتحسين جودة المياه

    - النتيجة :
    1 / انتاج كهرباء
    2 / انتاج مياة مقطرة عالية النقاء
    3 / انتاج سماد عضوى عالى القمية الغذائية
    الفوائد :
    1 / انتاج طاقه كهربائية دون التقيد بالاسعار العالمية للبترول
    2 / المحافظة على المخزون الاستراتيجى من المنتجات البترولية
    3 / الحد من التلوث البيئى الناتج من مخلفات الصرف الصحى والمخلفات الزراعية ومن ثم القضاء على المسسببات الرئيسية لامراض الانسان
    4/ فرصة للمصانع كثيفه الاستهلاك للطاقة مثل مصانع الحديد والصلب والاسمنت والاسمدة للحصول على الطاقة الكهربائية دون التقيد بالاسعار العالمية للبترول ومن ثم خفض تكاليف الانتاج وبالتالى خفض الاسعار

    - مكونات المشروع :

    1 / احواض خرسانية كبيرة لتجميع مياة الصرف الصحى والمخلفات الزراعية القابلة للتحلل
    2 / مجموعه ضخمه من المرايا والعدسات المقعرة
    3 / وحدات تسخين المياة او الغليات
    4 / بساتم او مرواح معينه تتحرك بضغط بخارى
    5 / مولدات كهربائية
    6 / وحدات من معامل البيوجاز

    شرح المشروع

    استخدام مياة الصرف الصحى للحصول منها على مياة نظيفه بنسبة 100% والحصول على السماد والحصول
    على كهرباء وطبعا التخلص من تلوث مياة الصرف وهى تسخين مياة الصرف الصحى عن طريق مجموعه من الغليات البخارية والتسخين هيتم عن طريق اشاعه الشمس ( فقد حبا الله سبحانه وتعالى مصر بشمس مشرقه طول السنه وعلى فترات طويلة طول النهار ) من خلال مجموعه من المرايا المقعرة والعدسات والتى تركز اشاعه الشمس عند نقط معينة هذية النقط تكون شديدة الحرارة فأما استخدام الحرارة مباشرة لتسخين الغليات او عن طريق زيوت معينه تنقل الحرارة الى الغليات عبر مواسير ومن ثم حدوث عملية التبخر فيتم توجية بخار الماء الى مروحة معينه او بستم او ماكينة معينه استطيع الحصول منها على طاقة حركية وبالتالى تشغيل توربينات لانتاج الكهرباء يتم عمل تكثيف لبخار الماء لنحصل على مياة مقطرة خالية تماما من المواد الكميائية والفيروسات والبكتريا هذية المياة يتم اجراء لها بعض المعاملات الكميائية حتى تصبح صالحة للشرب او رى الاراضى الزراعية وده بالنسبة للماء بالنسبة لناتج البخار وهو المادة الصلبة الموجودة بمياة الصرف يتم توجية هذية المادة الى وحدات البيوجاز تتجمع بيها لاجراء عملية تخمير لاهوائى لهذية المادة الصلبة بأستخدام نوع معين من البكتريا ويكون ناتج التخمير غاز الميثان القابل للاشتعال والذى يمكن استخدامه فى تسخين الغليات فى الفترة المسائية التى تغيب عنها اشاعه الشمس ايضا هناك المادة الصلبة الموجودة فى الاحواض الخرسانية سواء كانت مخلفات الصرف الصحى او مخلفات مزراع الدواجن والانتاج الحيوانى ايضا يمكن استخدام قش الارز المضغوط لاجراء عمليات تسخين الغليات حيث اوضحت الدراسات انه ينتج اكثر من 30% من طاقه الفحم ناتج التخمر ايضا سماد نيتروجينى يمكن اجراء له بعض التعديلات الكيميائية ليصبح جاهز لعمليات التسميد الزراعى وبهذية الفكرة قد انتجنا مياة نظيفة وكهرباء وسماد والاهم من كل ده التخلص من التلوث الناتج من مياة الصرف الصحى . يمكن ايضا عمل مثل هذية المحركات البخارية على المناطق الساحلية لانتاج الكهرباء من المياة المالحة والحصول على ملح ايضا
    وشكرا لكم

    ملحوظة : يوجد فى امريكا محطات بخارية لتوليد الكهرباء من الطاقة الشمسية فى صحراء كاليفورنيا تعطى 400 ميجاوات اى ما يعادل 2 مليون برميل نفط سنويا

    مقدمة المهندس الزراعى / وليد حسين حمزة
    تليفون 01005295710

Leave a Reply