بحث عن الطاقة الشمسيه
[hide]الطاقة الشمسيه
تعتبر الطاقة الواردة إلينا من الشمس من أهم أنواع الطاقة التي يمكن للانسان استغلالها ، فهي طاقة دائمة ، تشع علينا كل يوم بنفس المقدار ، و لا ينتظر أن تفنى طالما كانت الشمس تشرق علينا كل يوم ، كما أنها تتوفر في أغلب مناطق سطح الأرض.
و الطاقة الشمسية طاقة نظيفة ، لا ينتج عن استخدامها غازات أو نواتج ثانوية ضارة بالبيئة ، كما في حالة أنواع الوقود التقليدية من الفحم و زيت البترول ، و لا تترك وراؤها مخلفات على درجة من الخطورة مثل النفايات المشعة التي تتخلف عن استعمال الطاقة النووية .
و يتدفق من الشمس كل يوم مقادير هائلة من الطاقة على هيئة سيل لا ينقطع ، و لكن سطح الأرض لا يتلقى من هذه الطاقة سوى قدر ضئيل جدا لا يزيد على جزء من ألفى مليون جزء من الطاقة الكلية التي تشعها الشمس في الفضاء ، وذلك لصغر حجم الأرض ، و بعدها الكبير عن الشمس .
على الرغم من صغر هذا القدر من الطاقة بالنسبة للطاقة الكلية الصادرة من الشمس ، إلا أنه يمثل بالنسبة الينا قدرا هائلا يفى بكل احتياجاتنا على سطح الأرض .
و لو اننا حولنا هذه الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربية ، لنتج عن ذلك نحو 4000 مليون كيلووات لكل ساعة في اليوم الواحد ، وهي كمية هائلة من الطاقة الكهربائية تفي باحتياجات كل سكان الكرة الأرضية مرات و مرات ، و تبلغ نحو 500000 مرة قدر الطاقة الكهربائية التي تنتجها دولة صناعية كبرى مثل الولايات المتحدة .
و الطاقة الشمسية على درجة عالية من الأهمية ، فهي لازمة لوجود الحياة على سطح الأرض ، كما أن أنواع الوقود التقليدية مثل الفحم و زيت البترول ما هي إلا نتاج لبعض العمليات الطبيعية التي يتم فيها اختزان جزء من الطاقة الشمسية بواسطة النباتات ، و يعني ذلك ان الطاقة التي توفرها لنا هذه الأنواع التقليدية من الوقود ، هي اصلا طاقة مستمدة من طاقة الشمس.
و يحدثنا التاريخ أن ارشميدس الذي عاش في القرن الثالث قبل الميلاد قد استخدم أشعة الشمس في احراق بعض سفن العدو في احدى المعارك البحرية ، و من المعتقد أنه استخدم لهذا الغرض بعض المرايا أو دروع الجنود لتركيز أشعة الشمس على صواري هذه السفن .
و هناك الكثير من الدراسات النظرية المتعلقة باستخدام أشعة الشمس كمصدر للطقة ، كما أن هناك بعض التجارب العملية التي اجريت في هذا المجال .
وحتى عهد قريب ، كان ينظر إلى المعدات و التجهيزات الخاصة باستخدام الطاقة الشمسية على أنها ليست على القدر المطلوب من الكفاءة ، بالإضافة إلى انها كانت تعد مكلفة و غير اقتصادية ، و لكن هذه النظرة تغيرت في بداية السبعينيات و بدأ التفكير في الاعتماد عليها لإنتاج الطاقة الحرارية ، و الكهربائية اللازمة .
و تستخدم عدة طرق اليوم لاستغىل الطاقة الشمسية و تحويلها إلى كهرباء ، منها الخلايا الشمسية أو البطاريات الشمسية أوباستخدام معدات لتجميع أشعة الشمس و غيرها .
الخلايا الكهروضوئية
تستخدم الخلايا الشمسية (الكهروضوئية) في عملية تحويل الإشعاع الشمسي مباشرة إلى الكهرباء ، وتعرف هذه الآلية بالتحويل الكهروضوئية أو التحويل الفوتوفلطائي (Photovolaic Conversion) الطاقة الشمسية . ويتوقع أن يساهم تحويل الطاقة الكهروضوئية عملياً في تقليل استهلاك الوقود الاحفوري وإلى خفض التلوث البيئي وقد بدأت نظم الخلايا الكهروضوئية تنتشر تدريجيا في تطبيقات الإنارة والاتصالات وضخ المياه وغيرها .
يعود اكتشاف الأثر الكهروضوئية إلى القرن الماضي الميلادي عندما قام العالم بكيرل (Becquerel) في عام 1839 م بدرسه تأثير الضوء على بعض المعادن والمحاليل وخصائص التيار الكهربائي الناتج عنها . كما أدخل العالمان أدم و سميث (Adams & Smith) مفهوم الناقلية الكهربائية الضوئية لأول مرة عام 1877م وتم تركيب أول خلية شمسية من مادة السيلينيوم (Se) من قبل العالم فريتز (Fritts) عام 1883م حيث توقع لها أن تساهم في إنتاج الكهرباء مستقبلاً ، من جهة أخرى فقد ساعد تطوير نظريات ميكانيكا الكم (Quantum Mechanics) على تفسير الكثير من الظواهر الفيزيائية وخاصة المرتبطة بالكهرباء الضوئية في فترة الثلاثينيات والأربعينيات من القرن الحالي ، وذلك عند ماتم تفسير ظاهرة الحساسية الضوئية المواد السيليكون وأكسيد النحاس وكبريت الرصاص وكبريت الثاليوم ، وقد سجل عالم 1941م تصنيع أول خلية شمسية سيليكونية بكفاءة لا تتجاوز (1%) ، ثم لحق ذلك إنجاز مختبرات بل الأمريكية (Bell Lab) في تصنيع البطارية الشمسية (Solar Battery) في منتصف الخمسينيات بكفاءة بلغت (6%) استخدمت آنذاك في التطبيقات الفائية . كما تم في نفس الفترة تركيب أول خلية شمسية من مواد كبريت الكاديوم وكبريت النحاس أطلق عليها فيما بعد الخلايا الشمسية ذات الأفلام الرقيقة (Thin –Film Solar) . بعد تلك الفترة ازداد تسارع بحوث التطوير في العلوم الفيزيائية والهندسة لاشتباه الموصلات (Semiconductors) وخاصة ما يرتبط بدراسة التبادلات الكهربائية الضوئية مما ساعد على تطور الخلايا الكهروضوئية وتقنياتها باتجاه تحسين كفاءتها وخفض تكلفتها . وقد أدى ذلك إلى ازدياد مستوى إنتاج الخلايا الكهروضوئية بقدرات تتراوح بين الميلي وات إلى الكيلوات . أما الفترة الهامة للخلايا الكهروضوئية فقد حدثت في عقدي السبعينيات والثمانينات وخاصة بعد تطور علوم التركيب المجهرية الدقيقة لأشباه المواصلات وقد اعتبرت الخلايا الكهروضوئية حينئذ بأنها إحدى الطرق العلمية الطموحة لتوليد الكهرباء في المصادر المتجددة للطاقة . وقد ساعد ازدياد الطلب على استخدام مجمعات الخلايا الكهروضوئية حيث انخفضت نسبياً تكلفة إنتاجها بصورة معقولة ووصل إنتاجها إلى عشرات الميجاوات .
في نوفمبر 1999م قام العلماء في "سبكترولاب" (إحدى وحدات مؤسسة هاجز الالكترونية وقسم الطاقة بالمعمل القومي للطاقة المتجددة) بتسجيل زيادة جديدة في القدرة التحويلية للخلايا ، الشمسية حيث سجلوا تحويل 32.3% من الطاقة ا الشمسيةا لداخلة إلى تيار كهربي، وتعتبر هذه النسبة ضعف القدرة التحويلية القديمة للخلايا، ويعتقد العلماء أنه يمكنهم زيادة هذه النسبة إلى 40%.
وبمضاعفة القدرة التحويلية للخلايا فإن حجم نظام تجميع الأشعة الضوئية لتحويلها إلى تيار كهربي سيقل إلى النصف، مما يعني تخفيض التكلفة الإجمالية للخلايا وزيادة قدرتها على المنافسة كمصدر للكهرباء أكثر صحية، إذن فإن التحدي الحقيقي الآن هو إخراج هذه التكنولوجيا الحديثة إلى الحَيِّز التطبيقي بصورة أوسع لإثبات صلاحيتها على المدى الواسع، ومع زيادة الطلب على ي الخلايا الشمسية توقع انخفاض سعرها فتصبح في متناول كل الأفراد، وبذلك نضمن انخفاض معدلات التلوث بشكل كبير في المستقبل
ماهي الألواح الشمسية الفلطائية الضوئية PHEBUS® ؟
يتم صنع ألواح PHEBUS® الشمسية من خلايا رقائق السيليكون المُعالج والعالي النقاوة والتي تم الحصول عليها بالمعالجة الكيمياوية للرمل. تقوم هذه الخلايا الفلطائية الضوئية بتحويل اشعة الشمس مباشرة الى الكهرباء.
ان مبدأ هذا التحويل هو كالتالي: ترتطم الذرات الضوئية المسماة بالفوتون بقشرة سطح الأرض الخفيفة من السيليكون (شبه موصلة)، حينها تتحول طاقتها الى الكترونات في الخلية. وهذا يخلق مجالاُ كهربائياً ينتج شحنات إيجابية وسلبية. يتم فصلها وجمعها على السطوح الأمامية والخلفية للخلية التي تعمل لاحقاً كمولد تيار مباشر.
ان تحوّل ضوء النهار الى الكهرباء هو ظاهرة فيزيائية طبيعية لاتتطلب حركة ميكانيكية.
يتم إحتساب عدد ومناطق هذه الخلايا وفقاً للقدرة المطلوبة من اللوح. يتم ربطها ببعضها بدارة صفائحية بين طبقات عديدة لتوفير المقاومة للرطوبة، استقرار الأشعة فوق البنفسجية والعزل الكهربائي. يتم ايضاً تغليفها في الخواء لجعلها مقاومة للماء وللصدمات. ثم يتم تجميعها في هيكل ألمنيوم أنودي خفيف ولكن متين. الخلف مصنوع من طبقات مختلفة من البوليمر، وهذا التجميع يشكل لوح PHEBUS® والذي يعتبر الوحدة الرئيسية في مولد الطاقة الشمسية.
تتجمع جميع هذه العناصر لتعطي ألواح PHEBUS® الشمسية حياة تدوم أكثر من 20 سنة في ظل ظروف استخدام بحرارة 40 درجة مئوية لغاية 90 مئوية ورطوبة من صفر الى 100%.
كيف تعمل :
وهي تعمل على تحويل ضوء الشمس مباشرة إلى طاقة كهربائية، فعندما يقع الضوء الشمسي على الخلية الكهروضوئية يتحرر منها الكترون، وتُجْمَع الالكترونات المحررة في أسلاك موصلة بالخلية فتنتج تيارًا كهربيًّاً.
و إن تيار الخروج الذي تنتجه الخلية الشمسية هو منخفض و تتطلب هذه الخلايا الشمسية مستوى اضائة عالية كي تقدم مستوى خروج من التيار مفيد و بما أن تيار الخروج لهذه العناصر منخفض يتم توصيل مجموعة كبيرة من الخلايا الشمسية على التوالي و التوازي (تسلسل و تفرع ) للحصول على الفولت و التيار المطلوبين .
أنواع الخلايا الشمسية
هناك 3 أنواع من منشآت الفلطائية الضوئية:
المنشآت الصغيرة: أجهزة بسيطة جداً تستعمل في وحدات السكن المتنقلة، المخيمات الجبلية، سيارات المخيمات، المقطورات السكنية، قوارب النزهة، أجهزة إرشاد السفن والطائرات أو الإنارة العامة والإشارات.
- المنشآت المتوسطة "المستقلة" لتوليد الطاقة للبيوت المعزولة، الشاليهات، محطات الضخ، محطات الترحيل اللاسلكي،
المنشآت الكبيرة بقدرة فائقة تزيد على 3 كيلوواط، توليد الطاقة للقرى المنعزلة أو للربط بشبكات الكهرباء.
مجال الإستخدام :
• الإنارة والإرشادات الضوئية والإرشادية وأجهزة الرصد البحرية
• محطات الاتصالات الأرضية والاستقبال
• حماية أنابيب النفط البترولية والغاز الطبيعي من التآكل المعدني
• ثلاجات التبريد المتنقلة في المدن والمناطق النائية
• لحفظ الأدوية ، والأطعمة
• تحلية وضخ المياه للشرب والزراعة والصناعة
• الحماية و أجهزة الأمن التحذيرية المدنية والعسكرية و في الإنارة
وكهربة السياج المعدنة
• وفي الطاقة إنتاج الهيدروجين
• إنارة المركبات والأقمار الصناعية الفضائية
مكونات القمر الصناعي
مكونات أي قمر صناعي هي مجموعة الأجزاء و المعدات المختلفة التي يحتاجها لاداء المهمة المكلف بها و هناك مكونات أساسية توجد في جميع الأقمار مثل أجنحة الخلايا الشمسية التي تمد القمر بالطاقة اللازمة لتشغيلة و هناك بطارية احتياطيةمن الهيدروجين أو النيكل كاديوم لتشغيل القمر في حالات الطوارئ أو في حالات الكسوف الشمسي و هناك الهوائيات اللازمة لاتصال القمر بمحطات التحكم الأرضية و بث الصور و البيانات إليها و استقبال الأوامر منها و هناك الكاميرات الرقمية الدقيقة جدا خاصة في أقمار التجسس و اقمار الطقس و اقمار الأبحاث العلمية و تصل دقة هذه الكاميرات إلى تصوير سيارات متحركة على الأرض بكل تفاصيلها و هناك النواقل كما في أقمار البث الفضائي و الاتصالات و هي التي يتم تحميل القنوات الفضائية و التلفزيونية عليها و تتميز أقمار الاتصالات و البث التلفزيوني عن جميع الأقمار الصناعية بالهوائيات العملاقة الموجودة فيها و التي تتيح لها نقل الصور و البيانات و الاتصالات من مكان إلى أخر على سطح الكرة الأرضية .و توجد كل هذه المحتويات في وعاء خارجي يحمل اسم البص أو الأتوبيس وهو الغلاف الخارجي للقمر الصناعي أو الهيكل الأساسي له و الذي يضم بدوره مجموعة كبيرة من الدوائر و الرقائق الالكترونية و اجهزة الكمبيوتر الدقيقة مولد للطاقة و معدات الإتصال .
العيوب :
الخلايا الكهروشمسية المسطحة الزجاجية الهيئة، ذات الزوايا الحادة، وفي النهاية المعملية الطابع، بمعنى أنها تصلح للتطبيق في المعامل والمختبرات، ولا يقبل المستخدم العادي على تطبيقاتها المتاحة حاليا لتكلفتها المرتفعة وغرابة أشكالها، فضلا عن ضيق مدى الاستفادة من هذه التطبيقات في حياتنا العملية.
فالخلايا الكهروشمسية التقليدية ذات طبيعة صلبة "rigid" قابلة للكسر، وعادة ما تتكون من رقائق سيليكون مرتبطة بطبقة زجاجية، وليست هشاشتها هي القيد الوحيد الذي تفرضه على أي باحث يريد دمجها في أي تطبيق، ولكن وزنها الثقيل، وسطحها المستوي يزيدان من هذه القيود.
تابعات الشمس
المشكلة:
خلال فترة النهار تمر الشمس عن الخلايا الشمسية في مدار شبه دائري متجهة من الشرق الى الغرب عبر الأفق. و لذلك فإن الزاوية بين الشمس و الخلايا تختلف بشكل كبير مع العلم أن أفضل زاوية مرجوة هي عندما تسقط أشعة الشمس عمودياً على الخلاياو بناءً على ما سبق فإن النظام الشمسي الثابت ليس الأفضل و إنما ستكون النتائج أفضل في حال كون الأشعة عمودية على سطح الخلاياطيلة اليوم.
الحل:
تابعات الشمس تمتد طاقتها من الشمس نفسها و تتبع الشمس طوال فترة النهار لضمان زاوية عمودية بين أشعة الشمس و الخلاياالفوتوفولتية.
تبدأ تابعات الشمس بالعمل مع شروق الشمس و تدور بإتجاه الشمس. و من ثم تلحق مسار الشمس خلال فترة النهار مع بعض التأخير المحدود جداً. أما في الليل فإنها ببساطة تتوقف عن الحركة بإنتطار شروق الشمس في اليوم التالي.
تابعات الشمس هي من أفضل الإضافات في حال إستخدام النظام الفوتوفولتي لضخ المياه حيث أنها تضمن ضخ أكبر كمية ممكنة بأقل عدد ممكن من. الخلايا الشمسية يمكن تقليل عدد الخلايا من 20% الى 50% إعتماداً على الموقع.
شركة ألمانية تباشر إنتاج ألواح الخلايا الضوئية تجاريا
إنتاج الخلايا الشمسية على زجاج النوافذ
يبدأ مصنع شركة فورت للطاقة الشمسية، ومقرها في مدينة مارباخ بولاية بادن فورتمبيرغ الألمانية هذا الشهر إنتاج أول ألواح الخلايا الضوئية المصنعة من عدة طبقات رقيقة بدلا من ألواح خلايا السيليسيوم السائدة في السوق. وذكر بيرنهارد ديملر (45 سنة) المدير الفني للشركة أن التقنية الجديدة التي يستخدمها المصنع تنتج خلايا الطاقة الشمسية من عدة طبقات هي غاية في الرقة والشفافة وتستخدم فيها عناصر النحاس والانديوم Indium والسيلين Selen (بشكل المركب المعروف Cu in Se2 والمستخدم في صناعة خلايا السيليسيوم). وهي طبقات تنتج بطريقة "اللصق البخاري" على سطوح الزجاج الاعتيادية وتوفر الطاقة الشمسية للبيوت من خلال زجاج النوافذ مباشرة.
ويخطط المصنع، الذي كان مصنعا لإنتاج الصواميل في الأساس، في المرحلة الأولى من الإنتاج هذا العام لتصنيع ألواح النوافذ الزجاجية بكلفة 20 مليون مارك ألماني. وينتظر ديملر أن تنجح شركته الصغيرة العام الحالي بإنتاج الألواح الزجاجية بكميات تجارية وبمساحة 10 آلاف متر مربع سنويا، أي ما يضمن إنتاج الطاقة بقوة 1.2 ميجاواط وهي ما يكفي لتغطية حاجة 300 مسكن ألماني بالطاقة طوال سنة كاملة.
ويعتبر إنتاج الخلايا الضوئية بهذه المساحة خطوة رائدة عالميا ولم يسبق لشركات أخرى أن طرقتها باستثناء الشركة الألمانية الشهيرة سيمنز عملاق إنتاج الخلايا الضوئية وشركة يابانية أخرى إلا انهما لم تصلا بعد إلى مرحلة الإنتاج المعد للتسويق.
ونالت شركة فورت للطاقة الشمسية دعم معهد الصناعة الإلكترونية الفيزيائية في مدينة شتوتغارت ودعم معهد أبحاث الطاقة الشمسية وخلايا الوقود في ولاية بادن فورتمبيرغ وهما المعهدان المتخصصان بدعم قضايا تحويل المخترعات الجديدة إلى واقع إنتاجي.
وحسب ديملر فإن طاقة إنتاج ألواح الطبقات المتعددة اقل من طاقة إنتاج خلايا السيليسيوم إلا أن التقنية الجديدة تتفوق على القديمة من ناحية مساحة اللوح المنتج ومن ناحية الكلفة. فألواح السيليسيوم تنتج حتى الآن بمساحات صغيرة ينبغي لاحقا لحمها بعضها مع بعض بطرق معقدة ومكلفة، في حين أن ألواح النوافذ الزجاجية تنتج بمساحات مناسبة لأحدث الأبنية. ثم أن خلايا السيليسيوم غير صالحة للتثبيت على زجاج النوافذ والأبواب بسبب عتامتها وسمكها ومنظرها. وستدخل الشركة في العام القادم مرحلة الإنتاج الثانية حيث سيجري تطوير حجم الإنتاج مع تقوية قدرات الخلايا الضوئية على إنتاج الطاقة. وهكذا يأمل ديملر أن تنتقل الشركة عام 2001 لإنتاج زجاج النوافذ الشمسية بمساحة تصل إلى 100 ألف متر مربع (10 ميجاواط) وبعد استثمار مبلغ يتراوح بين 100 و120 مليون مارك إضافية. كما تخطط الشركة لاحقا لتطوير إنتاجها ليبلغ 60 ميجاواط سنويا من الخلايا الضوئية وذلك تماشيا مع حاجة السوق، علما بأن دراسة لشركة شيل، وهي إحدى الشركات الرائدة عالميا في إنتاج خلايا السيليسيوم، توقعت أن ترتفع حصة الطاقة الشمسية من مجموع استهلاك الطاقة على المستوى العالمي إلى 15% وذلك مع دخول العالم عام 2060.
ألواح الطاقة الشمسية أصبحت أخف وزناً وبأشكال دائرية وكروية
دخلت ألواح الخلايا الضوئية حيز انتاج الطاقة البديلة من ضوء الشمس منذ سنوات طويلة في مختلف بقاع العالم. وشهدت هذه الألواح، وكذلك الخلايا ، تطورات كبيرة على صعيد طاقتها الإنتاجية ومساحتها إلا أنها بقيت ثابتة الشكل واللون بسبب صعوبة انتاجها من مواد مرنة وقابلة للتلون. ويبدو أن عصر الألواح الضوئية (ذات زوايا في الأغلب) التي تواجه الشمس مثل زهرة عباد الشمس سيشهد نهايته لأن شركة "سون نوفيشن" نجحت في إنتاج ألواح الخلايا الضوئية بأشكال وألوان مختلفة وأهلتها بالتالي لاقتناص ضوء الشمس من كافة الزوايا. كما نجحت شركة ألمانية أخرى في تقليل انعكاس الضوء عن الألواح وزادت بذلك قدرة الخلايا على تحويل ضوء الشمس إلى تيار كهربائي.
وطبيعي أن تأمل الشركة المنتجة من خلال تصنيع ألواح الخلايا الكهروضوئية القابلة للطي في تسهيل عملية نقل، نشر واستخدام الطاقة الشمسية ، وتخطي محدودية استخدامها في القرى المنقطعة عن الكهرباء والمناطق النائية. وذكرت مصادر الشركة من مدينة كلينغنبيرغ (جنوب) أن العلماء صنعوا ألواح الخلايا الضوئية المحدبة والمقعرة والكروية من مادة بولي كاربونات ماكرولون بعد ادخال تحسينات خاصة عليها. وكانت الألواح المصنعة من هذه المادة أخف 50% من ألواح الخلايا الضوئية التقليدية المصنعة من السيليكون، قابلة للإنتاج بأي شكل وبأي لون يحبذه الزبون. أي انتاج الألواح بالأشكال والألوان المناسبة للأبنية والشوارع والجدران وبشكل لا يتعارض مع جماليات المدن.
والمهم هو أن الألواح المرنة ثابتة جداً ضد عوامل الطقس والتخرش ومقاومة لأعمال التخريب. وذكر المتحدث الصحافي باسم الشركة أن الخلايا الضوئية في الألواح المرنة الجديدة "تسبح" في مادة الماكرولون وليست ثابتة. كما أتاحت الطريقة للشركة إنتاج الألواح بسمك بسيط جداً يجعل أمر تطويعها بأشكال أخرى ممكناً.
وتفكر الشركة حالياً بصناعة سقف أحد مواقف محطات الحافلات بميونخ من ألواح الماكرولون المحدبة بهدف تجربتها. وستعمل الألواح بالطبع على تحول الطاقة الضوئية إلى الكهربائية وتوظيفها في إضاءة الموقف وتشغيل أجهزة شراء البطاقات الأوتوماتيكية ومصابيع المرور القريبة. عدا عن ذلك فإن ألواح الماكرولون أكثر مقاومة للعوامل الطبيعة من ألواح السيليكون وأكثر قدرة على حفظ الحرارة من التسرب، الأمر الذي يجعلها مناسبة جداً لبناء سقوف البيوت الزجاجية الزراعية ومظلات النوافذ والشرفات.
وفي مشروع مشترك بين جامعة كلاوستال التقنية وشركة "شوت رور غلاس" تم التوصل إلى طريقة جديدة لتغليف الخلايا الضوئية يحافظ عليها من العوامل الطبيعية ويرفع طاقتها الإنتاجية في ذات الوقت. وذكرت مصادر جامعة كلاوستال أن علماءها صمموا طبقة غاية في الرقة من مادة ثاني أوكسيد السيليسيوم تحمي الخلايا الضوئية وتعبر المزيد من ضوء الشمس إليها.
وتتميز هذه الطبقة الرقيقة بأنها من سمك لا يتجاوز واحد من عشرة آلاف من المليميتر، بمعنى أنها لا تعكس سوى نسبة لا تذكر من ضوء الشمس. إذ من المعروف أن طبقة السيليكون التي تغلف بها الألواح الضوئية التقليدية تعكس 8% في الأقل من ضوء الشمس الساقط عليها، وهي طاقة مفقودة حسب تقدير العلماء. وبالتالي فإن طبقة ثاني أوكسيد السيليسيوم الرقيقة تضمن رفع طاقة انتاج الخلايا الضوئية بنسبة 7%.
وستتم تجربة الألواح الضوئية المكسية بثاني أوكسيد السيليسيوم في مناطق من كاليفورنيا (الولايات المتحدة) قبل البدء بإنتاجها للسوق الألمانية.
شبكة طرق سريعة من نوع جديد
عندما تريد الانتقال من مدينة إلى أخرى أمامك عدة اختيارات إذا كنت لا تمتلك سيارة، فيمكنك استخدام القطارات وشبكة السكك الحديدية أو استخدام سيارات نقل الركاب التي تعمل بين المدن (bus) التي تستخدم الطرق السريعة، وإذا كنت تمتلك سيارة فيمكنك الانتقال بها من خلال شبكات الطرق السريعة (high - way)، فهل تريد أن تركب سيارتك وتركب القطار وتستخدم شبكة الطرق السريعة في وقت واحد ؟
يبدو الكلام غريبًا نسبيًّا، ولكن هذا ما ستكون عليه شبكات الطرق السريعة في المستقبل، فقد انتهى ولفجانج فيرباخ ( Wolfgang Feierbach) – وهو أحد الخبراء الألمان في تصميم وتطوير المشروعات الصناعية والتكنولوجيا ـ من وضع تصميم لشبكة طرق جديدة من نوعها.
ففي ظل ارتفاع عدد السكان وازدحام المدن الكبرى في العالم لم تَعُد شبكات الطرق السريعة الموجودة حالياً قادرة على استيعاب كثرة السيارات والشاحنات، مما أدى إلى ارتفاع حوادث الطرق السريعة إلى درجة ملحوظة جدًّا في السنوات الأخيرة.
ومن هذا المنطلق كان لا بد من تطوير شبكات الطرق السريعة؛ لتتواءم مع متطلبات العصر الحديث بما يكفل السرعة في الأداء، والجودة في الخدمة والأمان للأفراد والمركبات. كان هذا هو المبدأ الأساسي للمشروع الجديد الذي أطلق عليه(EAB) أو (Euro Auto Bahn) .
قام واضع تصميم هذه الشبكة الجديدة بالعمل حتى تكون واصلة بين كل دول القارة الأوروبية، ويعتمد تصميم الشبكة الجديدة على ثلاثة مستويات رئيسية:
المستوى الأول: هو المستوى المستخدم داخل المدن لتسير عليه السيارات والمركبات الخاصة، وهو ينقسم من 4 إلى 8 حارات على اتجاهين، ويشمل هذا المستوى كل الخدمات التي يحتاجها الراكب على الطريق مثل محطات الوقود واستراحات.
أما المستوى الثاني: فهو عبارة عن كوبري يصل بين الطرق، وهو حل مثالي لمنع التقاطعات وتقليل فرص وقوع الحوادث. ويستخدم هذا المستوى لوصل المستوى الأول بالمستوى الثالث.
أما المستوى الثالث: فهو المستوى المبتكر في هذا المشروع، وهو عبارة عن ممر بدون سقف يصل عرضه إلى 9 أمتار ويرتفع عن المستوى الأول 10 أمتار، ويصنع هذا المستوى من الخرسانة المسلحة سابقة التجهيز في المصانع، مما لا يجعله مكلفاً إذا تم توزيعه على جميع المصانع التي تعمل في هذا المجال في أوروبا كلها.
ويسير على هذا المستوى قطار يصل طول الواحد إلى كيلومتر وعرضه 8 أمتار وارتفاعه 8 أمتار، وينقسم من الداخل إلى عدة أقسام كل قسم مخصص لشيء معين، فمثلاً قسم خاص بالسيارات، وقسم للشاحنات، وقسم للدراجات، وآخر يمكن تأثيثه ليصبح مثل المنزل لإقامة الأفراد.
وإذا قمنا بتقسيم هذا القطار بنسب متباينة لمعرفة الأعداد التي يستطيع حملها تكون النتائج كالآتي:
نسبة التقسيم شاحنات سيارات حجرات
قطار 1
50% سيارات
50% شاحنات 50 416 740
قطار 2
80% سيارات
20% شاحنات 20 666 740
قطار 3
30% سيارات
70% شاحنات 70 250 740
من المتوقع أن تصل طول الشبكة التي تربط إقليم غرب أوروبا إلى حوالي 10835 كيلومترًا، فإذا قمنا بتشغيل 280 قطارًا بسرعة 150 كيلومترًا/ ساعة إذاً يكون زمن التقاطر هو15 دقيقة.
يسير هذا القطار على إطارات مطاطة مثل إطارات السيارات التي تتغذى بالكهرباء من مواتير كهربائية مثبتة مباشرة على عمود إدارة العجل، مما يقلل من فقد الطاقة خلال عمليات النقل، ويستمد القطار الطاقة من الخلايا الشمسية التي تحول الطاقة الضوئية للشمس إلى طاقة كهربائية مباشرة.
وفي دراسة للتكلفة والاستثمارات لهذا المشروع كانت كالآتي:
الإنشاءات المدنية 6,000,000 يورو لكل كيلومتر
إنشاء 30 محطة 200,000,000 يورو لكل محطة
تصنيع 300 قطار بطول كيلومتر للقطار 250,000,000 يورو للقطار الواحد
ويتميز التصميم الجديد بالعديد من المميزات:
يمنع حوادث الطرق السريعة بنسبة كبيرة؛ نظراً لأنه طريق واحد لنقل كل الأشياء، وهي ثابتة في أماكنها، وكذلك القطار يسير في ممر محاط من الجوانب، مما يقلل فرصة حوادث القطارات وخروجها عن مسارها.
يوفر الطاقة بشكل كبير جدًّا، سواء طاقة القطار ذاته أو السيارات والشاحنات التي يحملها.
أقل في مستوى الضوضاء؛ لأنه يسير على إطارات من المطاط فوق سطح من الخرسانة.
يحافظ على البيئة؛ لأنه لا يُخْرِج أي عوادم، وكذلك يمنع الشاحنات والسيارات من العمل بداخله، وبالتالي لا توجد عوادم ناتجة عنها.
يوفر حوالي 130400 فرصة عمل خلال عشر سنوات في إنشاء المشروع، وأيضاً 50000 فرصة عمل دائمة لتشغيله.
يأتي مشروع (EAB) كتطبيق أمثل للتطور المستمر في العديد من مجالات العلم المختلفة، والتوافق مع الظروف المتاحة ومتطلبات القرن الجديد، فهذا المشروع بحق هو مشروع المستقبل.
وداعاً للوقود ...ألمانيا تنتج أول طائرة تستخدم الطاقة الشمسية!!
تمكن الباحثون فى جامعة شتوتجارت الالمانية بقيادة الدكتور رودلف فويت نيتشمان من انتاج اول طائرة يمكنها التحليق فى الجو باستخدام الطاقة الشمسية وحدها !! الامر الذى يعد تحولا فى غاية الاهمية ولا يقل فى دلالته عن اختراع النماذج الاولى من الطائرات بواسطة الاخوين رايت فى الولايات المتحدة فى غضون السنوات الاولى من القرن المنصرم. وقد استغرقت البحوث الخاصة بتلك الطائرة قرابة عامين، وبتكلفة لا تقل عن مليون دولار امريكى، ويقدر الوزن الاجمالى للطائرة بحوالى 260 كيلو جراما، بينما يبلغ طوال الهيكل ثمانية امتار مع اتساع الجناحين الى خمسة وعشرين مترا، وقد تمت تغطية زعانف الذيل والجناحين بثلاثة آلاف خلية ضوئية، حيث تستطيع تلك الخلايا استخلاص الطاقة من الشمس، من خلال تحويلها الى قوة كهربية دافعة، وتصل مساحة سطح الخلية الواحدة الى عشرة سنتيمترات ، ومن ثم تقدر المساحة الاجمالية للخلايا الضوئية في حدود 21 مترا مربعا .
يتم توصيل هذه الخلايا الى احد المولدات الكهربية بالطائرة، وبدوره، يزود المولد المحرك الوحيد فى الطائرة بالقدرة اللازمة للانطلاق والطيران والهبوط، وقد اشرف على تصميم هذا المحرك الدكتور هيربرت ويه الاستاذ بجامعة براون شنايج الالمانية، ويمكن لهذا المحرك توليد قدرة ميكانيكية كهربائية تقدر باثنى عشر الف وات، بالرغم من ان وزن المحرك لا يزيد على احد عشر كيلو جراما، وهنا تتضح براعة الفريق القائم على تصميم هذا المحرك، اذ ان الوزن يعادل خمس وزن المحرك العادى، ولكنه يتفوق عليه من عدة جوانب ابرزها سهولة التشغيل والصيانة فضلا عن عدم تلويث البيئة بعوادم احتراق الوقود فى المحركات التقليدية
وبالطبع ادى نجاح انطلاق الطائرة ايكاريه (و هو اسم الطائرة )الى اثارة العديد من التساؤلات حول مستقبل صناعة الطيران وما اذا كانت الطائرات الشمسية سيتم استبدالها بالطائرات التى تسير بالوقود المشتق من البترول ؟
يقول ما نفريد راينهارت رئيس الاتحاد الدولى لعلوم وتقنيات الطيران الشراعى ان انتاج طائرة شمسية بتلك المواصفات يعد تطورا مذهلاً بصورة غير متوقعة على الاطلاق ويضيف كريستوف آيتنار رئيس قسم التكنولوجياالشمسية بوزارة التعليم الفيدرالية الالمانية ان الفريق المشرف على انتاج هذه الطائرة قد استفاد من احدث الدراسات الخاصة بتطويع الطاقة الشمسية لاستخدمات الحياة المعاصرة، فى حين يرى ايفو جيوثار عمدة مدينة اولم التى رصدت تلك الجائزة ان حلم استخدام الشمس كمصدر للطاقة فى الطيران قد تحقق .
ولكن هل يعنى انتاج هذه الطائرة ان الطائرات العملاقة التى تنقل المسافرين والبضائع بين القارات سيحدث خلال المستقبل القريب ؟ يقول رود آشر خبير صناعة الطيران الامريكية ان من السابق لأوانه الجزم بحدوث هذه التطورات دون ان يعنى ذلك استحالة التكهن بحدوث هذه التطورات خاصة ان الطائرات بدأت على يدى الاخوين رايت كلعبة اقرب الى اللهو والتسلية منها الى وسيلة الانتقال، وان البحوث المستمرة ادت الى فتح افاق غير محدودة فى مجال صناة الطيران ،الا ان رودجر رورنبزج الخبير فى مجال الطاقة فى مؤسسة جرين سبيس الالمانية يؤكد ان العلماء على مقربة من اليوم الذى سيتحقق فيه استخدام الطاقة الشمسية كبديل للوقود المستخرج من باطن الارض مثل الفحم او البترول، بل ان قيادة الطائرات التى تحركها الطاقة الشمسية سوف تصبح اكثر يسرا، الامر الذى سيضاعف من التواصل بين ارجاء الدولة الواحدة .
مولدات مياه بالطاقة الشمسية
عائشة كتب من هذه الصفحة لأن الصفحات التي في الأعلى كتبتنهن
يحتفل علماء العالم هذا العام ببداية الألفية الجديدة، ولكن على طريقتهم الخاصة، ففي إطار البحث عن مزيد من التطبيقات لاستخدام الطاقة الشمسية ؛ نجح علماء مركز أبحاث الطاقة الشمسية بولاية فيرجينيا بالولايات المتحدة الأمريكية في ابتكار طلمبات رفع مياه تعمل بالطاقة الشمسية.
ونظراً لأن دول الجنوب المتمثلة في أفريقيا وأمريكا الجنوبية وكل دول العالم الثالث، أغلبها في الأساس دول زراعية؛ وبالتالي فإن الماء هو الحياة بالنسبة لها، وطلمبات رفع المياه والري من أهم التكنولوجيات التي يحتاجون إليها.
قديماً كانت تُستخدم طلمبات تعمل بحرق الوقود الحفري في موتور يشبه موتور السيارة حيث يحتوي على عدد من السلندرات وهو في الغالب ثنائي الأشواط (2-stroke ) يتحرك داخل كل سلندر مكبس (piston) يندفع هذا المكبس نتيجة تمدد الغازات الناتجة عن حرق الوقود، ونتيجة هذا الاندفاع يحرك المكبس عمود الإدارة (crank) الذي يعمل على إدارة مضخات رفع المياه.
ولكن كما نعلم أن حرق الوقود ينتج عنه ملوثات كثيرة للبيئة، وكذلك فالوقود غالي الثمن، ومن المنتظر أنه سوف يرتفع أكثر في السنوات المقبلة، وأيضاً كفاءة هذه الماكينة تظل منخفضة لوجود أجزاء متحركة بها تستهلك جزءا كبيرا من طاقتها للتغلب على قوى الاحتكاك (friction) .
ومع إشراق الشمس على الجنوب الأخضر تدخل الطلمبات عصراً جديداً، وذلك باستخدام الطاقة الشمسية كبديل عن الوقود الحفري في تشغيل المضخات.
وتعتبر هذه التكنولوجيا هي الأفضل لدول العالم الثالث؛ نظراً لسطوع الشمس الدائم على معظم أراضيها، وكذلك فإنها رخيصة السعر ولا تحتاج إلى شراء ونقل ووقود باستمرار.
وتتكون الطلمبات الشمسية (solar water pump) من (خلايا شمسية-موتور كهربي-مضخة).
لخلايا الشمسية هي مصدر الطاقة في هذا الجهاز حيث تتكون الخلية من مواد لها خاصية إنتاج نبضات كهربائية (pulses) نتيجة إثارة ذراتها من ضوء الشمس مثل مادة السيزيوم (caesium) [CS] التي اكتشفها العالم بنزن (BUNSEN) عام 1860.
وهذه الخلايا تستطيع إنتاج فرْق جهد ما بين 12-30 فولت من التيار المستمر(DC) ، وبعد ذلك تستخدم الطاقة الكهربية في إدارة موتور يعمل على تشغيل مضخات رفع المياه والري.
ويصل العمق الذي يمكن أن يستخدم فيه هذا النوع من الطلمبات إلى 60 مترا تحت سطح الأرض.
وهنا نطرح سؤالاً هامًا: ماذا يحدث لو غابت الشمس في يوم أو جزء من اليوم؟! كانت إجابة هذا السؤال في أذهان العلماء فأضافوا في هذه الطلمبات نظام تحكم (control system) يحتوي على معالج صغير (microprocessor) يقوم هذا المعالج بمراقبة الطاقة بين الخلايا الشمسية والمضخة، ويستطيع تعديل قيمة الجهد الكهربي في حالة غياب الشمس أوتوماتيكياً للحصول على تشغيل مستمر.
فمثلاً في حالة الإضاءة الضعيفة ( low light condition) يقوم بزيادة الطاقة الخارجة (output) للحفاظ على استمرار الضخ.
وفي الاختبارات التي تحدد كمية المياه المرفوعة وعمق التشغيل وكمية الفولتات والأمبير والطاقة المستخدمة كانت النتيجة ما يلي:
حذف هذه الصفحة
العمق
بالمتر كمية الماء
بالجالون كمية الماء
باللتر أمبير فولت القدرة
بالوات
20 74 280.1 1.40 17 24
80 48 181.7 2.30 17 39
140 36 136.3 2.95 17 50
200 25 94.6 3.50 17 60
ومن أهم مميزات هذه التكنولوجيا أنها:
تُستخدم في العديد من المجالات مثل ري الأراضي، وإيجاد المياه لرعاية الماشية، وكذلك توفير الماء للوديان والمنازل البعيدة عن العمران، وتستخدم طاقة نظيفة لا تلوث البيئة، ويسهل حمل الجهاز ونقله من مكان إلى آخر؛ حيث يصل وزنه إلى 28 كيلو جرامًا فقط، وله عمر افتراضي من 20-30 عامًا أو 8000 ساعة تشغيل متواصل، واقتصادي على المدى الطويل، حيث إنه لا يحتاج إلى أي شيء.
والجدير بالذكر أن هذه التكنولوجيا قد استخدمت بالفعل في دولة السنغال في غرب أفريقيا وقد أثبتت نجاحاً كبيراً.
طاقة شمسية من القمر!
من المتوقع أن يصل عدد سكان العالم إلى 10 مليارات نسمة بحلول عام 2050م، وهذا العدد الهائل من البشر سيصل احتياجه من الطاقة إلى 5 أضعاف الطاقة التي يتم توليدها حاليا. لهذا ظهرت الحاجة للحصول على العديد من المصادر الطبيعية التي لا تنضب بخلاف المستخدمة الآن لاستغلالها استغلالا أمثل في إنتاج الطاقة مستقبلا.
ومن أطرف المشاريع المستقبلية في هذا المجال مشروع جديد يعتمد على القمر في توليد الكهرباء. ويرتكز هذا المشروع على أنظمة "الطاقة الشمسيةالقمرية" The Lunar Solar Power لبناء محطات لتوليد الطاقة الكهربائية على سطح القمر، تتكون من ألواح عريضة من الخلايا الكهروضوئية. وتقوم هذه الألواح بتلقي واستقبال أشعة الشمس الساقطة على القمر وعكسها في صورة أخرى إلى الأرض حيث تستقبلها أجهزة استقبال وتحولها إلى طاقة كهربائية.
وقد يبدو الحديث عن كهرباء من القمر أشبه بالخيال العلمي الآن، لكن عرض مشروع جديد لأول مرة في أكبر مؤتمر دولي لأبحاث وتقنية الفضاء المعروف بـ"كونجرس الفضاء العالمي" (انعقد في هيوستن في الولايات المتحدة في الفترة من 10-19 أكتوبر 2002)، أظهر أن هناك تخطيطا تفصيليا لهذه التقنية يظهر كيفية الاستفادة من طاقة الشمس على القمر، وتحويلها إلى كهرباء ترسل إلى الأرض لسد الاحتياجات المتزايدة لسكان الأرض
لماذا القمر؟
ولكن لماذا يذهب العلماء إلى القمر للحصول على الطاقة الشمسية بالرغم من وجود مواقع كثيرة زاخرة بأشعة الشمس على مدار العام على الكرة الأرضية! وعلى الرغم من أن مقدار الإشعاعات الشمسية التي تصل إلى الأرض كل 20 دقيقة يعادل طاقة الوقود الأحفوري التي تستعملها البلدان الرئيسية المستهلكة للطاقة سنة كاملة؟
للإجابة على هذه التساؤلات ينبغي النظر في البداية إلى هذا المشروع؛ باعتباره حلقة مهمة في سلسلة الآمال المعلقة على الطاقة الشمسية لحل مشاكل نقص الطاقة في المستقبل، ويؤكد "دافيد كريسويل" (صاحب الصورة ) مدير معهد عمليات علم الفضاء بجامعة هيوستون الأمريكية أن هذه العملية يمكن أن تمد الأرض بجميع احتياجاتها من الطاقة بحلول عام 2050.
ومن المعروف أن القمر لا يعرف العوائق التي تحد من كامل الاستفادة من طاقة الشمس على الأرض؛ فهو يخلو من الغلاف الجوي. ومن الطبيعي انعدام السحب والأمطار والعواصف الجوية والترابية فيه؛ مما يجعله مكانا مثاليا لالتقاط كميات هائلة من أشعة الشمس التي يتم الحصول عليها كاملة بصورة مستمرة؛ لأن أشعة الشمس تسقط على القمر طوال العام، ما عدا ثلاث ساعات فقط أثناء الكسوف القمري الكامل.. ويوضح "كريسويل" أن 1% فقط من الطاقة الشمسية التي يتلقاها القمر من الشمس (التي تقدر بحوالي 13 ألف تيراوات terawatts) كافية للوفاء باحتياجات الأرض من الطاقة، وأن المحطات التي سيتم بناؤها على القمر لن تتعرض لأي مؤثرات خارجية قد تؤثر على عملها في ضوء الانعدام المناخي الذي يتمتع به القمر.
استخلاص الكهرباء من الشمس
الخلاياالكهروشمسية
ومع افتراض البدء بتنفيذ هذا المشروع الآن فإنه من المتوقع الحصول على طاقة من القمر خلال 10 سنوات على الأكثر، ولكن قد ينتظر القائمون على هذا المشروع 5 أو 10 سنوات أخرى لبدء الخطوات التنفيذية، لكي تكون أجهزة استخلاص الكهرباء من الشمس في مستوى يضمن توفير كهرباء بلا حدود من القمر .
كيف يتم التخطيط للمشروع؟
يعتمد التخيل المستقبلي لوضع هذه التقنية في حيز الوجود على تقنيات علمية متوفرة حاليا وعلى المواد المتواجدة بالفعل على القمر، وليس هناك حاجة إلى شحن مواد خام إلى القمر لبناء هذه المحطات؛ لأن هذه المواد متاحة بالفعل في القشرة العليا للقمر lunar regolith.
ويمكن البدء في هذا المشروع عن طريق إرسال عدد محدود من رواد الفضاء إلى القمر مع سيارة قمرية معدلة من نوع "روفر" التي تعرف بـ"المتجول القمري المستقل ذاتي الحركة عبر سطح القمر" والتي ابتكرت أثناء الرحلات الشهيرة إلى القمر خلال الفترة من 1969-1972. ويفكر العلماء بإجراء بعض التعديلات عليها مثل تزويد السيارة بعجلات عريضة بها محركات خاصة تحيل تربة القمر إلى حالة قريبة من الانصهار، يستفاد منها في الحصول على السليكون وعلى الكثير من المواد الأخرى اللازمة لتصنيع الخلايا الشمسية.
ولن يكون هناك أي مشكلة في البناء؛ فيكفي عدد قليل جدا من الرواد، مع مجموعة مبرمجة من الروبوتات؛ ليتم إنشاء محطة ضخمة على القمر -كمحول طاقة شمسي عملاق- كفيلة باستقبال أكبر قدر من أشعة الشمس وتحويله إلى كهرباء، وستكفي نسبة 1% فقط من أشعة الشمس على القمر لإمداد ضعف عدد السكان في العالم بكل احتياجاتهم من الطاقة الكهربائية أو الحرارية. وبعد تشغيل هذه المحطة يعود الرواد إلى الأرض؛ لتقوم الروبوتات المبرمجة والمتصلة بمركز المتابعة على الأرض بمهام الإشراف الكامل عليها.
أما عملية توصيل الكهرباء من القمر للأرض فمن المتوقع أن تكون أكثر سهولة، وستتم عن طريق تحويل الطاقة الكهربية المجمعة من القمر إلى أشعة المايكروويف التي تنطلق بسرعة نحو الأرض ليتم استقبالها عن طريق أجهزة متطورة تعيدها إلى كهرباء. ويمكن أن يتم توزيع الكهرباء بالطرق التقليدية إلى جميع مناطق العالم، عبر مراكز مزودة بوسائل تضمن تلبية احتياجات البشر من الطاقة.
ويتوقع المؤيدون لإنشاء محطات الطاقة الشمسية القمرية أن هذه التقنية ستوفر طاقة كهربائية مستمرة ورخيصة إلى أهل الأرض، وأن الاستثمار الرأسمالي للقمر سيؤسس مستعمرات إنسانية كبيرة وقدرة تصنيعية عالية تستطيع خلق ثروة هائلة جديدة. كما يتوقعون أن هذه الثروة ستمكن الإنسان من الاستكشاف المربح للقمر والنظام الشمسي الداخلي، وستزيد من قدرات سكان الأرض والقمر في الدفاع عن أنفسهم ضد هجوم المذنبات والكويكبات الشاردة في الكون الفسيح .
خرز "كهروشمسي".. يضيء العالم مجاناً
هل يأتي اليوم الذي لا تدفع فيه فاتورة كهرباء للمنزل أو للشركة؟ أو تسير بسيارة شمسية عملية وأنيقة وسريعة ولا تشبه لعب الأطفال؟ أو تسمع الكاسيت في الخلاء أو حتى تستخدم حاسبك المحمول، وأنت خالي البال من هم البطارية ومصدر الكهرباء؟ الإجابة الأقرب على كل هذه التساؤلات هي: نعم، فما زال في جعبة تطبيق التقنية التي تلبي وتحقق هذه الأماني الكثير.
وعن قريب ستكتسي المباني بغطاء مرن يشبه قماش الدينم "Denim" الذي تصنع منه ملابس الجينز، يحول الطاقة الشمسية لكهرباء تنير تلك البنايات، وتزودها بالكهرباء اللازمة لتشغيل الأجهزة الكهربية التي بها.
وحسب الشركة Spheral Solar الكندية التي تنتج ذلك الغطاء "المنتج للكهرباء" فإنه يمكن أن يلف ويدور حول أي سطح؛ ما يعني أنه قد يكسو عددا لا حصر له من الأجهزة الكهربية ويمدها بالطاقة اللازمة لتشغيلها في الخلاء دون الحاجة لبطارية، أو أي مصدر آخر للكهرباء.
طبعا، فكرة الخلايا الشمسية ليست جديدة، لكن التطبيق هنا مختلف وثوري
فالمادة الجديدة فعلاوة على قابليتها للطي والالتفاف حول أي سطح، فهي رخيصة التكلفة، ومرنة وبالتالي لا تحتاج لعناية خاصة أو رعاية فائقة لتجنيبها الكسر، ويرجع ذلك لاستبدال رقائق السليكون الصلبة بآلاف من الخرز السيليكوني "Silicon Beads" الصغير جدا، مرصوصة في شكل صفوف متتالية؛ يشبه الصف منها عقدا من الخريزات الدقيقة، يضمها لبعضه البعض ويحصرها من أعلى وأسفل طبقتان رقيقتان للغاية من ورق الألومنيوم "Aluminium Foil".
هذه الصفحة غير المتماسكة من العقود المرصوصة بجوار بعضها البعض يقيها من الانفراط طبقتان رقيقتان من البلاستيك الشفاف المنفذ للضوء، والمرن في نفس الوقت، ويغلفان طبقتي الألومنيوم.
هنا تعمل كل "خريزة سليكونية" كخلية شمسية صغيرة جدا، تمتص ضوء الشمس وتحوله لكهرباء، ويقوم الألومنيوم بتجميع هذه الكهرباء وتوصيلها في نهاية الأمر لمجمع لها، يعد المقبس الذي يزود الجهاز الكهربي أو المبنى بالكهرباء.
وغني عن البيان أن شركة Spheral Solar تتحرق للعام المقبل، حيث ينتظر أن تطرح باكورة إنتاجها من هذا "power Denim" لتجني مكاسب سنوات طويلة -نسبيا- من تنفيذ تلك الفكرة وتنقيحها، بعد أن فازت ببراءة "المفهوم" الخاص بها عام 1997، وهي تتغنى برخص وتجدد الطاقة التي توفرها تلك التقنية، ومتانة المنتج نفسه وطواعيته في الاستخدام لأي غرض، والحق أنها في ذلك محقة.
وتأتي ميزة رخص تكلفة التصنيع لهذه التقنية من اعتمادها على نفايات صناعة رقائق السيليكون المستخدمة في الأجهزة الكهربية والإلكترونية، واستخدام مواد أولية رخيصة مثل السيليكون والألومنيوم والبلاستيك، وعدم استخدام أي عناصر نادرة أو مرتفعة التكلفة، إضافة لاعتماد أساليب غير مكلفة في التصنيع.
ومن خلال الجمع بين الطرق الكيماوية والميكانيكية، يتم إذابة السليكون الذي تم فرزه من تلك النفايات وتنقيته، ثم إعادة تشكيله مرة أخرى في شكل كرة قطر الواحدة منها ملليمتر فقط "خريزة"، يغطي ثقب لب هذه الخريزة بذرات عنصر البورون "Boron"، ليتكون القطب الموجب للخلية، وبصب غلالة رقيقة من ذرات مادة فوسفورية على السطح الخارجي السفلي للخريزة، يتكون القطب السالب لها.
وفيما يتدفق فائض الإلكترونات من القطب السالب للخلية إلى قطبها الموجب، ينشأ مجال كهربي يجذب بدوره الإلكترونات التي تنتج عن تحلل الفوتونات الضوئية التي قام السيليكون بامتصاصها عند وقوع ضوء الشمس عليها.
وحيث تؤدي آلاف الخلايا نفس العمل، تقوم طبقة الألومنيوم بتوصيل هذه الإلكترونات ببعضها البعض وينشأ تيار كهربي، يتم تجميعه للاستخدام في أي غرض. هنا ينبغي الإشارة إلى أن السطح المستدير للخلية وغير المستوي لإجمالي الصفحة "photovoltaic sheet"، يزيد إلى حد كبير السطح المتعرض للشمس، ما يعني أن التقنية تستخلص بذلك الأسلوب أكبر طاقة ممكنة من خلية كهروشمسية.
تطبيقات المستقبل
مبنى شمسي
غالبا ما يبتعد تصورنا للأشكال المعتادة للبنايات التي تستمد طاقتها الكهربية من الخلايا الكهروشمسية، عما ألفه الإنسان في أنساق المباني على اختلاف العصور والأماكن، وتقترب من فانتازيا أفلام الخيال العلمي، أو واقعه الماثل في الصوب الزجاجية كما هو واضح بالصورة التي على الشمال، لكن باستخدام الخرز الكهروشمسي يمكن الاحتفاظ بالطابع الذي يمكن وصفه هنا بـ "الإنساني"، فضلا عن اللمسة الجميلة.
بأي لون، وأي شكل، وأي نسق؛ يمكن أن تكسو ألواح الخرز الكهروشمسي المباني، وساعة أن يشحذ فنانو التصاميم المعمارية أزناد عقولهم قد لا يقف عائد كسوة البنايات بتلك الألواح عند إمدادها بالكهرباء -وهو هدف جليل عند الكثير- بل ستخرج إلى الوجود بنايات ذات واجهات وأسطح جميلة الشكل وأخاذة المنظر تجمع الجمال والعملية.. والتوفير، كما يبدو -في الصورة على اليمين- ذلك المبنى المكسو تماما بألواح الخرز الكهروشمسية الملونة المرنة.
قرميد شمسي
أما إذا أصر صاحب البناية أو مصممها على الطابع الذي ألفه الإنسان، فإن قرميد سطح المنزل نفسه قد تكسوه ألواح الخرز الكهروشمسي وتلصق به، وتصبح جزءا لا ينفصل عن شكل القرميد دون أن تلحظه عين، وبالرغم من ظهور المنزل من بعيد عاديا لا جديد فيه، فإنه ينعم بطاقة رخيصة ونظيفة، ومتطورة (الصورة يميناً)، ليس كسابقه الذي كانت تشوه منظر الخلايا الشمسية (الصورة يساراً).
أما في مجال السيارات التي تسير بالطاقة الشمسية فإن معظم المحاولات التي تمت حتى الآن لا تخرجها من حيث الشكل عن دمى الأطفال أو سيارات أفلام الكارتون، والأهم في هذا السياق هو محاولة توفير أكبر مسطح للخلايا الكهروشمسية العادية حتى يمكن ضمان أكبر مساحة معرضة لضوء الشمس؛ ما يعود على شكلها بالهزلية والعبثية.
سيارة شمسية
ومن حيث المضمون فهي بعيدة تماما عن العملية، فليست بأي حال السيارة التي اعتدناها، فلا هي تسع الأسرة حيث تفتقد لمقاعد غير مقعد القائد، ولا حقيبة خلفية بها تحمل داخلها الأمتعة، ثم إنها في النهاية بطيئة، ولا تصلح لقضاء الحوائج، وقطع مسافات الأسفار.
أما باستخدام ألواح الخرز الكهروشمسي فالسيارة كما تبدو في الصورة المقابلة سيارة عادية جدا، وتستطيع الألواح من حيث الشكل المحافظة على خصائص السيارة المعنية بديناميكا الهواء "aerodynamics"، التي يوليها مصممو السيارات عناية فائقة في السيارات الحديثة، وبالطبع هي محل ترحيب من كل المعنيين بالحفاظ على نظافة وسلامة البيئة، وموفرة لأموال صاحبها، وراحة باله من أسعار الوقود ونفاذه، وحل مثالي للنقل في البلاد المشمسة. وهي مميزات تجتمع سويا لتعد بسوق رائجة.
[/hide]
تعتبر الطاقة الواردة إلينا من الشمس من أهم أنواع الطاقة التي يمكن للانسان استغلالها ، فهي طاقة دائمة ، تشع علينا كل يوم بنفس المقدار ، و لا ينتظر أن تفنى طالما كانت الشمس تشرق علينا كل يوم ، كما أنها تتوفر في أغلب مناطق سطح الأرض.
و الطاقة الشمسية طاقة نظيفة ، لا ينتج عن استخدامها غازات أو نواتج ثانوية ضارة بالبيئة ، كما في حالة أنواع الوقود التقليدية من الفحم و زيت البترول ، و لا تترك وراؤها مخلفات على درجة من الخطورة مثل النفايات المشعة التي تتخلف عن استعمال الطاقة النووية .
و يتدفق من الشمس كل يوم مقادير هائلة من الطاقة على هيئة سيل لا ينقطع ، و لكن سطح الأرض لا يتلقى من هذه الطاقة سوى قدر ضئيل جدا لا يزيد على جزء من ألفى مليون جزء من الطاقة الكلية التي تشعها الشمس في الفضاء ، وذلك لصغر حجم الأرض ، و بعدها الكبير عن الشمس .
على الرغم من صغر هذا القدر من الطاقة بالنسبة للطاقة الكلية الصادرة من الشمس ، إلا أنه يمثل بالنسبة الينا قدرا هائلا يفى بكل احتياجاتنا على سطح الأرض .
و لو اننا حولنا هذه الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربية ، لنتج عن ذلك نحو 4000 مليون كيلووات لكل ساعة في اليوم الواحد ، وهي كمية هائلة من الطاقة الكهربائية تفي باحتياجات كل سكان الكرة الأرضية مرات و مرات ، و تبلغ نحو 500000 مرة قدر الطاقة الكهربائية التي تنتجها دولة صناعية كبرى مثل الولايات المتحدة .
و الطاقة الشمسية على درجة عالية من الأهمية ، فهي لازمة لوجود الحياة على سطح الأرض ، كما أن أنواع الوقود التقليدية مثل الفحم و زيت البترول ما هي إلا نتاج لبعض العمليات الطبيعية التي يتم فيها اختزان جزء من الطاقة الشمسية بواسطة النباتات ، و يعني ذلك ان الطاقة التي توفرها لنا هذه الأنواع التقليدية من الوقود ، هي اصلا طاقة مستمدة من طاقة الشمس.
و يحدثنا التاريخ أن ارشميدس الذي عاش في القرن الثالث قبل الميلاد قد استخدم أشعة الشمس في احراق بعض سفن العدو في احدى المعارك البحرية ، و من المعتقد أنه استخدم لهذا الغرض بعض المرايا أو دروع الجنود لتركيز أشعة الشمس على صواري هذه السفن .
و هناك الكثير من الدراسات النظرية المتعلقة باستخدام أشعة الشمس كمصدر للطقة ، كما أن هناك بعض التجارب العملية التي اجريت في هذا المجال .
وحتى عهد قريب ، كان ينظر إلى المعدات و التجهيزات الخاصة باستخدام الطاقة الشمسية على أنها ليست على القدر المطلوب من الكفاءة ، بالإضافة إلى انها كانت تعد مكلفة و غير اقتصادية ، و لكن هذه النظرة تغيرت في بداية السبعينيات و بدأ التفكير في الاعتماد عليها لإنتاج الطاقة الحرارية ، و الكهربائية اللازمة .
و تستخدم عدة طرق اليوم لاستغىل الطاقة الشمسية و تحويلها إلى كهرباء ، منها الخلايا الشمسية أو البطاريات الشمسية أوباستخدام معدات لتجميع أشعة الشمس و غيرها .
الخلايا الكهروضوئية
تستخدم الخلايا الشمسية (الكهروضوئية) في عملية تحويل الإشعاع الشمسي مباشرة إلى الكهرباء ، وتعرف هذه الآلية بالتحويل الكهروضوئية أو التحويل الفوتوفلطائي (Photovolaic Conversion) الطاقة الشمسية . ويتوقع أن يساهم تحويل الطاقة الكهروضوئية عملياً في تقليل استهلاك الوقود الاحفوري وإلى خفض التلوث البيئي وقد بدأت نظم الخلايا الكهروضوئية تنتشر تدريجيا في تطبيقات الإنارة والاتصالات وضخ المياه وغيرها .
يعود اكتشاف الأثر الكهروضوئية إلى القرن الماضي الميلادي عندما قام العالم بكيرل (Becquerel) في عام 1839 م بدرسه تأثير الضوء على بعض المعادن والمحاليل وخصائص التيار الكهربائي الناتج عنها . كما أدخل العالمان أدم و سميث (Adams & Smith) مفهوم الناقلية الكهربائية الضوئية لأول مرة عام 1877م وتم تركيب أول خلية شمسية من مادة السيلينيوم (Se) من قبل العالم فريتز (Fritts) عام 1883م حيث توقع لها أن تساهم في إنتاج الكهرباء مستقبلاً ، من جهة أخرى فقد ساعد تطوير نظريات ميكانيكا الكم (Quantum Mechanics) على تفسير الكثير من الظواهر الفيزيائية وخاصة المرتبطة بالكهرباء الضوئية في فترة الثلاثينيات والأربعينيات من القرن الحالي ، وذلك عند ماتم تفسير ظاهرة الحساسية الضوئية المواد السيليكون وأكسيد النحاس وكبريت الرصاص وكبريت الثاليوم ، وقد سجل عالم 1941م تصنيع أول خلية شمسية سيليكونية بكفاءة لا تتجاوز (1%) ، ثم لحق ذلك إنجاز مختبرات بل الأمريكية (Bell Lab) في تصنيع البطارية الشمسية (Solar Battery) في منتصف الخمسينيات بكفاءة بلغت (6%) استخدمت آنذاك في التطبيقات الفائية . كما تم في نفس الفترة تركيب أول خلية شمسية من مواد كبريت الكاديوم وكبريت النحاس أطلق عليها فيما بعد الخلايا الشمسية ذات الأفلام الرقيقة (Thin –Film Solar) . بعد تلك الفترة ازداد تسارع بحوث التطوير في العلوم الفيزيائية والهندسة لاشتباه الموصلات (Semiconductors) وخاصة ما يرتبط بدراسة التبادلات الكهربائية الضوئية مما ساعد على تطور الخلايا الكهروضوئية وتقنياتها باتجاه تحسين كفاءتها وخفض تكلفتها . وقد أدى ذلك إلى ازدياد مستوى إنتاج الخلايا الكهروضوئية بقدرات تتراوح بين الميلي وات إلى الكيلوات . أما الفترة الهامة للخلايا الكهروضوئية فقد حدثت في عقدي السبعينيات والثمانينات وخاصة بعد تطور علوم التركيب المجهرية الدقيقة لأشباه المواصلات وقد اعتبرت الخلايا الكهروضوئية حينئذ بأنها إحدى الطرق العلمية الطموحة لتوليد الكهرباء في المصادر المتجددة للطاقة . وقد ساعد ازدياد الطلب على استخدام مجمعات الخلايا الكهروضوئية حيث انخفضت نسبياً تكلفة إنتاجها بصورة معقولة ووصل إنتاجها إلى عشرات الميجاوات .
في نوفمبر 1999م قام العلماء في "سبكترولاب" (إحدى وحدات مؤسسة هاجز الالكترونية وقسم الطاقة بالمعمل القومي للطاقة المتجددة) بتسجيل زيادة جديدة في القدرة التحويلية للخلايا ، الشمسية حيث سجلوا تحويل 32.3% من الطاقة ا الشمسيةا لداخلة إلى تيار كهربي، وتعتبر هذه النسبة ضعف القدرة التحويلية القديمة للخلايا، ويعتقد العلماء أنه يمكنهم زيادة هذه النسبة إلى 40%.
وبمضاعفة القدرة التحويلية للخلايا فإن حجم نظام تجميع الأشعة الضوئية لتحويلها إلى تيار كهربي سيقل إلى النصف، مما يعني تخفيض التكلفة الإجمالية للخلايا وزيادة قدرتها على المنافسة كمصدر للكهرباء أكثر صحية، إذن فإن التحدي الحقيقي الآن هو إخراج هذه التكنولوجيا الحديثة إلى الحَيِّز التطبيقي بصورة أوسع لإثبات صلاحيتها على المدى الواسع، ومع زيادة الطلب على ي الخلايا الشمسية توقع انخفاض سعرها فتصبح في متناول كل الأفراد، وبذلك نضمن انخفاض معدلات التلوث بشكل كبير في المستقبل
ماهي الألواح الشمسية الفلطائية الضوئية PHEBUS® ؟
يتم صنع ألواح PHEBUS® الشمسية من خلايا رقائق السيليكون المُعالج والعالي النقاوة والتي تم الحصول عليها بالمعالجة الكيمياوية للرمل. تقوم هذه الخلايا الفلطائية الضوئية بتحويل اشعة الشمس مباشرة الى الكهرباء.
ان مبدأ هذا التحويل هو كالتالي: ترتطم الذرات الضوئية المسماة بالفوتون بقشرة سطح الأرض الخفيفة من السيليكون (شبه موصلة)، حينها تتحول طاقتها الى الكترونات في الخلية. وهذا يخلق مجالاُ كهربائياً ينتج شحنات إيجابية وسلبية. يتم فصلها وجمعها على السطوح الأمامية والخلفية للخلية التي تعمل لاحقاً كمولد تيار مباشر.
ان تحوّل ضوء النهار الى الكهرباء هو ظاهرة فيزيائية طبيعية لاتتطلب حركة ميكانيكية.
يتم إحتساب عدد ومناطق هذه الخلايا وفقاً للقدرة المطلوبة من اللوح. يتم ربطها ببعضها بدارة صفائحية بين طبقات عديدة لتوفير المقاومة للرطوبة، استقرار الأشعة فوق البنفسجية والعزل الكهربائي. يتم ايضاً تغليفها في الخواء لجعلها مقاومة للماء وللصدمات. ثم يتم تجميعها في هيكل ألمنيوم أنودي خفيف ولكن متين. الخلف مصنوع من طبقات مختلفة من البوليمر، وهذا التجميع يشكل لوح PHEBUS® والذي يعتبر الوحدة الرئيسية في مولد الطاقة الشمسية.
تتجمع جميع هذه العناصر لتعطي ألواح PHEBUS® الشمسية حياة تدوم أكثر من 20 سنة في ظل ظروف استخدام بحرارة 40 درجة مئوية لغاية 90 مئوية ورطوبة من صفر الى 100%.
كيف تعمل :
وهي تعمل على تحويل ضوء الشمس مباشرة إلى طاقة كهربائية، فعندما يقع الضوء الشمسي على الخلية الكهروضوئية يتحرر منها الكترون، وتُجْمَع الالكترونات المحررة في أسلاك موصلة بالخلية فتنتج تيارًا كهربيًّاً.
و إن تيار الخروج الذي تنتجه الخلية الشمسية هو منخفض و تتطلب هذه الخلايا الشمسية مستوى اضائة عالية كي تقدم مستوى خروج من التيار مفيد و بما أن تيار الخروج لهذه العناصر منخفض يتم توصيل مجموعة كبيرة من الخلايا الشمسية على التوالي و التوازي (تسلسل و تفرع ) للحصول على الفولت و التيار المطلوبين .
أنواع الخلايا الشمسية
هناك 3 أنواع من منشآت الفلطائية الضوئية:
المنشآت الصغيرة: أجهزة بسيطة جداً تستعمل في وحدات السكن المتنقلة، المخيمات الجبلية، سيارات المخيمات، المقطورات السكنية، قوارب النزهة، أجهزة إرشاد السفن والطائرات أو الإنارة العامة والإشارات.
- المنشآت المتوسطة "المستقلة" لتوليد الطاقة للبيوت المعزولة، الشاليهات، محطات الضخ، محطات الترحيل اللاسلكي،
المنشآت الكبيرة بقدرة فائقة تزيد على 3 كيلوواط، توليد الطاقة للقرى المنعزلة أو للربط بشبكات الكهرباء.
مجال الإستخدام :
• الإنارة والإرشادات الضوئية والإرشادية وأجهزة الرصد البحرية
• محطات الاتصالات الأرضية والاستقبال
• حماية أنابيب النفط البترولية والغاز الطبيعي من التآكل المعدني
• ثلاجات التبريد المتنقلة في المدن والمناطق النائية
• لحفظ الأدوية ، والأطعمة
• تحلية وضخ المياه للشرب والزراعة والصناعة
• الحماية و أجهزة الأمن التحذيرية المدنية والعسكرية و في الإنارة
وكهربة السياج المعدنة
• وفي الطاقة إنتاج الهيدروجين
• إنارة المركبات والأقمار الصناعية الفضائية
مكونات القمر الصناعي
مكونات أي قمر صناعي هي مجموعة الأجزاء و المعدات المختلفة التي يحتاجها لاداء المهمة المكلف بها و هناك مكونات أساسية توجد في جميع الأقمار مثل أجنحة الخلايا الشمسية التي تمد القمر بالطاقة اللازمة لتشغيلة و هناك بطارية احتياطيةمن الهيدروجين أو النيكل كاديوم لتشغيل القمر في حالات الطوارئ أو في حالات الكسوف الشمسي و هناك الهوائيات اللازمة لاتصال القمر بمحطات التحكم الأرضية و بث الصور و البيانات إليها و استقبال الأوامر منها و هناك الكاميرات الرقمية الدقيقة جدا خاصة في أقمار التجسس و اقمار الطقس و اقمار الأبحاث العلمية و تصل دقة هذه الكاميرات إلى تصوير سيارات متحركة على الأرض بكل تفاصيلها و هناك النواقل كما في أقمار البث الفضائي و الاتصالات و هي التي يتم تحميل القنوات الفضائية و التلفزيونية عليها و تتميز أقمار الاتصالات و البث التلفزيوني عن جميع الأقمار الصناعية بالهوائيات العملاقة الموجودة فيها و التي تتيح لها نقل الصور و البيانات و الاتصالات من مكان إلى أخر على سطح الكرة الأرضية .و توجد كل هذه المحتويات في وعاء خارجي يحمل اسم البص أو الأتوبيس وهو الغلاف الخارجي للقمر الصناعي أو الهيكل الأساسي له و الذي يضم بدوره مجموعة كبيرة من الدوائر و الرقائق الالكترونية و اجهزة الكمبيوتر الدقيقة مولد للطاقة و معدات الإتصال .
العيوب :
الخلايا الكهروشمسية المسطحة الزجاجية الهيئة، ذات الزوايا الحادة، وفي النهاية المعملية الطابع، بمعنى أنها تصلح للتطبيق في المعامل والمختبرات، ولا يقبل المستخدم العادي على تطبيقاتها المتاحة حاليا لتكلفتها المرتفعة وغرابة أشكالها، فضلا عن ضيق مدى الاستفادة من هذه التطبيقات في حياتنا العملية.
فالخلايا الكهروشمسية التقليدية ذات طبيعة صلبة "rigid" قابلة للكسر، وعادة ما تتكون من رقائق سيليكون مرتبطة بطبقة زجاجية، وليست هشاشتها هي القيد الوحيد الذي تفرضه على أي باحث يريد دمجها في أي تطبيق، ولكن وزنها الثقيل، وسطحها المستوي يزيدان من هذه القيود.
تابعات الشمس
المشكلة:
خلال فترة النهار تمر الشمس عن الخلايا الشمسية في مدار شبه دائري متجهة من الشرق الى الغرب عبر الأفق. و لذلك فإن الزاوية بين الشمس و الخلايا تختلف بشكل كبير مع العلم أن أفضل زاوية مرجوة هي عندما تسقط أشعة الشمس عمودياً على الخلاياو بناءً على ما سبق فإن النظام الشمسي الثابت ليس الأفضل و إنما ستكون النتائج أفضل في حال كون الأشعة عمودية على سطح الخلاياطيلة اليوم.
الحل:
تابعات الشمس تمتد طاقتها من الشمس نفسها و تتبع الشمس طوال فترة النهار لضمان زاوية عمودية بين أشعة الشمس و الخلاياالفوتوفولتية.
تبدأ تابعات الشمس بالعمل مع شروق الشمس و تدور بإتجاه الشمس. و من ثم تلحق مسار الشمس خلال فترة النهار مع بعض التأخير المحدود جداً. أما في الليل فإنها ببساطة تتوقف عن الحركة بإنتطار شروق الشمس في اليوم التالي.
تابعات الشمس هي من أفضل الإضافات في حال إستخدام النظام الفوتوفولتي لضخ المياه حيث أنها تضمن ضخ أكبر كمية ممكنة بأقل عدد ممكن من. الخلايا الشمسية يمكن تقليل عدد الخلايا من 20% الى 50% إعتماداً على الموقع.
شركة ألمانية تباشر إنتاج ألواح الخلايا الضوئية تجاريا
إنتاج الخلايا الشمسية على زجاج النوافذ
يبدأ مصنع شركة فورت للطاقة الشمسية، ومقرها في مدينة مارباخ بولاية بادن فورتمبيرغ الألمانية هذا الشهر إنتاج أول ألواح الخلايا الضوئية المصنعة من عدة طبقات رقيقة بدلا من ألواح خلايا السيليسيوم السائدة في السوق. وذكر بيرنهارد ديملر (45 سنة) المدير الفني للشركة أن التقنية الجديدة التي يستخدمها المصنع تنتج خلايا الطاقة الشمسية من عدة طبقات هي غاية في الرقة والشفافة وتستخدم فيها عناصر النحاس والانديوم Indium والسيلين Selen (بشكل المركب المعروف Cu in Se2 والمستخدم في صناعة خلايا السيليسيوم). وهي طبقات تنتج بطريقة "اللصق البخاري" على سطوح الزجاج الاعتيادية وتوفر الطاقة الشمسية للبيوت من خلال زجاج النوافذ مباشرة.
ويخطط المصنع، الذي كان مصنعا لإنتاج الصواميل في الأساس، في المرحلة الأولى من الإنتاج هذا العام لتصنيع ألواح النوافذ الزجاجية بكلفة 20 مليون مارك ألماني. وينتظر ديملر أن تنجح شركته الصغيرة العام الحالي بإنتاج الألواح الزجاجية بكميات تجارية وبمساحة 10 آلاف متر مربع سنويا، أي ما يضمن إنتاج الطاقة بقوة 1.2 ميجاواط وهي ما يكفي لتغطية حاجة 300 مسكن ألماني بالطاقة طوال سنة كاملة.
ويعتبر إنتاج الخلايا الضوئية بهذه المساحة خطوة رائدة عالميا ولم يسبق لشركات أخرى أن طرقتها باستثناء الشركة الألمانية الشهيرة سيمنز عملاق إنتاج الخلايا الضوئية وشركة يابانية أخرى إلا انهما لم تصلا بعد إلى مرحلة الإنتاج المعد للتسويق.
ونالت شركة فورت للطاقة الشمسية دعم معهد الصناعة الإلكترونية الفيزيائية في مدينة شتوتغارت ودعم معهد أبحاث الطاقة الشمسية وخلايا الوقود في ولاية بادن فورتمبيرغ وهما المعهدان المتخصصان بدعم قضايا تحويل المخترعات الجديدة إلى واقع إنتاجي.
وحسب ديملر فإن طاقة إنتاج ألواح الطبقات المتعددة اقل من طاقة إنتاج خلايا السيليسيوم إلا أن التقنية الجديدة تتفوق على القديمة من ناحية مساحة اللوح المنتج ومن ناحية الكلفة. فألواح السيليسيوم تنتج حتى الآن بمساحات صغيرة ينبغي لاحقا لحمها بعضها مع بعض بطرق معقدة ومكلفة، في حين أن ألواح النوافذ الزجاجية تنتج بمساحات مناسبة لأحدث الأبنية. ثم أن خلايا السيليسيوم غير صالحة للتثبيت على زجاج النوافذ والأبواب بسبب عتامتها وسمكها ومنظرها. وستدخل الشركة في العام القادم مرحلة الإنتاج الثانية حيث سيجري تطوير حجم الإنتاج مع تقوية قدرات الخلايا الضوئية على إنتاج الطاقة. وهكذا يأمل ديملر أن تنتقل الشركة عام 2001 لإنتاج زجاج النوافذ الشمسية بمساحة تصل إلى 100 ألف متر مربع (10 ميجاواط) وبعد استثمار مبلغ يتراوح بين 100 و120 مليون مارك إضافية. كما تخطط الشركة لاحقا لتطوير إنتاجها ليبلغ 60 ميجاواط سنويا من الخلايا الضوئية وذلك تماشيا مع حاجة السوق، علما بأن دراسة لشركة شيل، وهي إحدى الشركات الرائدة عالميا في إنتاج خلايا السيليسيوم، توقعت أن ترتفع حصة الطاقة الشمسية من مجموع استهلاك الطاقة على المستوى العالمي إلى 15% وذلك مع دخول العالم عام 2060.
ألواح الطاقة الشمسية أصبحت أخف وزناً وبأشكال دائرية وكروية
دخلت ألواح الخلايا الضوئية حيز انتاج الطاقة البديلة من ضوء الشمس منذ سنوات طويلة في مختلف بقاع العالم. وشهدت هذه الألواح، وكذلك الخلايا ، تطورات كبيرة على صعيد طاقتها الإنتاجية ومساحتها إلا أنها بقيت ثابتة الشكل واللون بسبب صعوبة انتاجها من مواد مرنة وقابلة للتلون. ويبدو أن عصر الألواح الضوئية (ذات زوايا في الأغلب) التي تواجه الشمس مثل زهرة عباد الشمس سيشهد نهايته لأن شركة "سون نوفيشن" نجحت في إنتاج ألواح الخلايا الضوئية بأشكال وألوان مختلفة وأهلتها بالتالي لاقتناص ضوء الشمس من كافة الزوايا. كما نجحت شركة ألمانية أخرى في تقليل انعكاس الضوء عن الألواح وزادت بذلك قدرة الخلايا على تحويل ضوء الشمس إلى تيار كهربائي.
وطبيعي أن تأمل الشركة المنتجة من خلال تصنيع ألواح الخلايا الكهروضوئية القابلة للطي في تسهيل عملية نقل، نشر واستخدام الطاقة الشمسية ، وتخطي محدودية استخدامها في القرى المنقطعة عن الكهرباء والمناطق النائية. وذكرت مصادر الشركة من مدينة كلينغنبيرغ (جنوب) أن العلماء صنعوا ألواح الخلايا الضوئية المحدبة والمقعرة والكروية من مادة بولي كاربونات ماكرولون بعد ادخال تحسينات خاصة عليها. وكانت الألواح المصنعة من هذه المادة أخف 50% من ألواح الخلايا الضوئية التقليدية المصنعة من السيليكون، قابلة للإنتاج بأي شكل وبأي لون يحبذه الزبون. أي انتاج الألواح بالأشكال والألوان المناسبة للأبنية والشوارع والجدران وبشكل لا يتعارض مع جماليات المدن.
والمهم هو أن الألواح المرنة ثابتة جداً ضد عوامل الطقس والتخرش ومقاومة لأعمال التخريب. وذكر المتحدث الصحافي باسم الشركة أن الخلايا الضوئية في الألواح المرنة الجديدة "تسبح" في مادة الماكرولون وليست ثابتة. كما أتاحت الطريقة للشركة إنتاج الألواح بسمك بسيط جداً يجعل أمر تطويعها بأشكال أخرى ممكناً.
وتفكر الشركة حالياً بصناعة سقف أحد مواقف محطات الحافلات بميونخ من ألواح الماكرولون المحدبة بهدف تجربتها. وستعمل الألواح بالطبع على تحول الطاقة الضوئية إلى الكهربائية وتوظيفها في إضاءة الموقف وتشغيل أجهزة شراء البطاقات الأوتوماتيكية ومصابيع المرور القريبة. عدا عن ذلك فإن ألواح الماكرولون أكثر مقاومة للعوامل الطبيعة من ألواح السيليكون وأكثر قدرة على حفظ الحرارة من التسرب، الأمر الذي يجعلها مناسبة جداً لبناء سقوف البيوت الزجاجية الزراعية ومظلات النوافذ والشرفات.
وفي مشروع مشترك بين جامعة كلاوستال التقنية وشركة "شوت رور غلاس" تم التوصل إلى طريقة جديدة لتغليف الخلايا الضوئية يحافظ عليها من العوامل الطبيعية ويرفع طاقتها الإنتاجية في ذات الوقت. وذكرت مصادر جامعة كلاوستال أن علماءها صمموا طبقة غاية في الرقة من مادة ثاني أوكسيد السيليسيوم تحمي الخلايا الضوئية وتعبر المزيد من ضوء الشمس إليها.
وتتميز هذه الطبقة الرقيقة بأنها من سمك لا يتجاوز واحد من عشرة آلاف من المليميتر، بمعنى أنها لا تعكس سوى نسبة لا تذكر من ضوء الشمس. إذ من المعروف أن طبقة السيليكون التي تغلف بها الألواح الضوئية التقليدية تعكس 8% في الأقل من ضوء الشمس الساقط عليها، وهي طاقة مفقودة حسب تقدير العلماء. وبالتالي فإن طبقة ثاني أوكسيد السيليسيوم الرقيقة تضمن رفع طاقة انتاج الخلايا الضوئية بنسبة 7%.
وستتم تجربة الألواح الضوئية المكسية بثاني أوكسيد السيليسيوم في مناطق من كاليفورنيا (الولايات المتحدة) قبل البدء بإنتاجها للسوق الألمانية.
شبكة طرق سريعة من نوع جديد
عندما تريد الانتقال من مدينة إلى أخرى أمامك عدة اختيارات إذا كنت لا تمتلك سيارة، فيمكنك استخدام القطارات وشبكة السكك الحديدية أو استخدام سيارات نقل الركاب التي تعمل بين المدن (bus) التي تستخدم الطرق السريعة، وإذا كنت تمتلك سيارة فيمكنك الانتقال بها من خلال شبكات الطرق السريعة (high - way)، فهل تريد أن تركب سيارتك وتركب القطار وتستخدم شبكة الطرق السريعة في وقت واحد ؟
يبدو الكلام غريبًا نسبيًّا، ولكن هذا ما ستكون عليه شبكات الطرق السريعة في المستقبل، فقد انتهى ولفجانج فيرباخ ( Wolfgang Feierbach) – وهو أحد الخبراء الألمان في تصميم وتطوير المشروعات الصناعية والتكنولوجيا ـ من وضع تصميم لشبكة طرق جديدة من نوعها.
ففي ظل ارتفاع عدد السكان وازدحام المدن الكبرى في العالم لم تَعُد شبكات الطرق السريعة الموجودة حالياً قادرة على استيعاب كثرة السيارات والشاحنات، مما أدى إلى ارتفاع حوادث الطرق السريعة إلى درجة ملحوظة جدًّا في السنوات الأخيرة.
ومن هذا المنطلق كان لا بد من تطوير شبكات الطرق السريعة؛ لتتواءم مع متطلبات العصر الحديث بما يكفل السرعة في الأداء، والجودة في الخدمة والأمان للأفراد والمركبات. كان هذا هو المبدأ الأساسي للمشروع الجديد الذي أطلق عليه(EAB) أو (Euro Auto Bahn) .
قام واضع تصميم هذه الشبكة الجديدة بالعمل حتى تكون واصلة بين كل دول القارة الأوروبية، ويعتمد تصميم الشبكة الجديدة على ثلاثة مستويات رئيسية:
المستوى الأول: هو المستوى المستخدم داخل المدن لتسير عليه السيارات والمركبات الخاصة، وهو ينقسم من 4 إلى 8 حارات على اتجاهين، ويشمل هذا المستوى كل الخدمات التي يحتاجها الراكب على الطريق مثل محطات الوقود واستراحات.
أما المستوى الثاني: فهو عبارة عن كوبري يصل بين الطرق، وهو حل مثالي لمنع التقاطعات وتقليل فرص وقوع الحوادث. ويستخدم هذا المستوى لوصل المستوى الأول بالمستوى الثالث.
أما المستوى الثالث: فهو المستوى المبتكر في هذا المشروع، وهو عبارة عن ممر بدون سقف يصل عرضه إلى 9 أمتار ويرتفع عن المستوى الأول 10 أمتار، ويصنع هذا المستوى من الخرسانة المسلحة سابقة التجهيز في المصانع، مما لا يجعله مكلفاً إذا تم توزيعه على جميع المصانع التي تعمل في هذا المجال في أوروبا كلها.
ويسير على هذا المستوى قطار يصل طول الواحد إلى كيلومتر وعرضه 8 أمتار وارتفاعه 8 أمتار، وينقسم من الداخل إلى عدة أقسام كل قسم مخصص لشيء معين، فمثلاً قسم خاص بالسيارات، وقسم للشاحنات، وقسم للدراجات، وآخر يمكن تأثيثه ليصبح مثل المنزل لإقامة الأفراد.
وإذا قمنا بتقسيم هذا القطار بنسب متباينة لمعرفة الأعداد التي يستطيع حملها تكون النتائج كالآتي:
نسبة التقسيم شاحنات سيارات حجرات
قطار 1
50% سيارات
50% شاحنات 50 416 740
قطار 2
80% سيارات
20% شاحنات 20 666 740
قطار 3
30% سيارات
70% شاحنات 70 250 740
من المتوقع أن تصل طول الشبكة التي تربط إقليم غرب أوروبا إلى حوالي 10835 كيلومترًا، فإذا قمنا بتشغيل 280 قطارًا بسرعة 150 كيلومترًا/ ساعة إذاً يكون زمن التقاطر هو15 دقيقة.
يسير هذا القطار على إطارات مطاطة مثل إطارات السيارات التي تتغذى بالكهرباء من مواتير كهربائية مثبتة مباشرة على عمود إدارة العجل، مما يقلل من فقد الطاقة خلال عمليات النقل، ويستمد القطار الطاقة من الخلايا الشمسية التي تحول الطاقة الضوئية للشمس إلى طاقة كهربائية مباشرة.
وفي دراسة للتكلفة والاستثمارات لهذا المشروع كانت كالآتي:
الإنشاءات المدنية 6,000,000 يورو لكل كيلومتر
إنشاء 30 محطة 200,000,000 يورو لكل محطة
تصنيع 300 قطار بطول كيلومتر للقطار 250,000,000 يورو للقطار الواحد
ويتميز التصميم الجديد بالعديد من المميزات:
يمنع حوادث الطرق السريعة بنسبة كبيرة؛ نظراً لأنه طريق واحد لنقل كل الأشياء، وهي ثابتة في أماكنها، وكذلك القطار يسير في ممر محاط من الجوانب، مما يقلل فرصة حوادث القطارات وخروجها عن مسارها.
يوفر الطاقة بشكل كبير جدًّا، سواء طاقة القطار ذاته أو السيارات والشاحنات التي يحملها.
أقل في مستوى الضوضاء؛ لأنه يسير على إطارات من المطاط فوق سطح من الخرسانة.
يحافظ على البيئة؛ لأنه لا يُخْرِج أي عوادم، وكذلك يمنع الشاحنات والسيارات من العمل بداخله، وبالتالي لا توجد عوادم ناتجة عنها.
يوفر حوالي 130400 فرصة عمل خلال عشر سنوات في إنشاء المشروع، وأيضاً 50000 فرصة عمل دائمة لتشغيله.
يأتي مشروع (EAB) كتطبيق أمثل للتطور المستمر في العديد من مجالات العلم المختلفة، والتوافق مع الظروف المتاحة ومتطلبات القرن الجديد، فهذا المشروع بحق هو مشروع المستقبل.
وداعاً للوقود ...ألمانيا تنتج أول طائرة تستخدم الطاقة الشمسية!!
تمكن الباحثون فى جامعة شتوتجارت الالمانية بقيادة الدكتور رودلف فويت نيتشمان من انتاج اول طائرة يمكنها التحليق فى الجو باستخدام الطاقة الشمسية وحدها !! الامر الذى يعد تحولا فى غاية الاهمية ولا يقل فى دلالته عن اختراع النماذج الاولى من الطائرات بواسطة الاخوين رايت فى الولايات المتحدة فى غضون السنوات الاولى من القرن المنصرم. وقد استغرقت البحوث الخاصة بتلك الطائرة قرابة عامين، وبتكلفة لا تقل عن مليون دولار امريكى، ويقدر الوزن الاجمالى للطائرة بحوالى 260 كيلو جراما، بينما يبلغ طوال الهيكل ثمانية امتار مع اتساع الجناحين الى خمسة وعشرين مترا، وقد تمت تغطية زعانف الذيل والجناحين بثلاثة آلاف خلية ضوئية، حيث تستطيع تلك الخلايا استخلاص الطاقة من الشمس، من خلال تحويلها الى قوة كهربية دافعة، وتصل مساحة سطح الخلية الواحدة الى عشرة سنتيمترات ، ومن ثم تقدر المساحة الاجمالية للخلايا الضوئية في حدود 21 مترا مربعا .
يتم توصيل هذه الخلايا الى احد المولدات الكهربية بالطائرة، وبدوره، يزود المولد المحرك الوحيد فى الطائرة بالقدرة اللازمة للانطلاق والطيران والهبوط، وقد اشرف على تصميم هذا المحرك الدكتور هيربرت ويه الاستاذ بجامعة براون شنايج الالمانية، ويمكن لهذا المحرك توليد قدرة ميكانيكية كهربائية تقدر باثنى عشر الف وات، بالرغم من ان وزن المحرك لا يزيد على احد عشر كيلو جراما، وهنا تتضح براعة الفريق القائم على تصميم هذا المحرك، اذ ان الوزن يعادل خمس وزن المحرك العادى، ولكنه يتفوق عليه من عدة جوانب ابرزها سهولة التشغيل والصيانة فضلا عن عدم تلويث البيئة بعوادم احتراق الوقود فى المحركات التقليدية
وبالطبع ادى نجاح انطلاق الطائرة ايكاريه (و هو اسم الطائرة )الى اثارة العديد من التساؤلات حول مستقبل صناعة الطيران وما اذا كانت الطائرات الشمسية سيتم استبدالها بالطائرات التى تسير بالوقود المشتق من البترول ؟
يقول ما نفريد راينهارت رئيس الاتحاد الدولى لعلوم وتقنيات الطيران الشراعى ان انتاج طائرة شمسية بتلك المواصفات يعد تطورا مذهلاً بصورة غير متوقعة على الاطلاق ويضيف كريستوف آيتنار رئيس قسم التكنولوجياالشمسية بوزارة التعليم الفيدرالية الالمانية ان الفريق المشرف على انتاج هذه الطائرة قد استفاد من احدث الدراسات الخاصة بتطويع الطاقة الشمسية لاستخدمات الحياة المعاصرة، فى حين يرى ايفو جيوثار عمدة مدينة اولم التى رصدت تلك الجائزة ان حلم استخدام الشمس كمصدر للطاقة فى الطيران قد تحقق .
ولكن هل يعنى انتاج هذه الطائرة ان الطائرات العملاقة التى تنقل المسافرين والبضائع بين القارات سيحدث خلال المستقبل القريب ؟ يقول رود آشر خبير صناعة الطيران الامريكية ان من السابق لأوانه الجزم بحدوث هذه التطورات دون ان يعنى ذلك استحالة التكهن بحدوث هذه التطورات خاصة ان الطائرات بدأت على يدى الاخوين رايت كلعبة اقرب الى اللهو والتسلية منها الى وسيلة الانتقال، وان البحوث المستمرة ادت الى فتح افاق غير محدودة فى مجال صناة الطيران ،الا ان رودجر رورنبزج الخبير فى مجال الطاقة فى مؤسسة جرين سبيس الالمانية يؤكد ان العلماء على مقربة من اليوم الذى سيتحقق فيه استخدام الطاقة الشمسية كبديل للوقود المستخرج من باطن الارض مثل الفحم او البترول، بل ان قيادة الطائرات التى تحركها الطاقة الشمسية سوف تصبح اكثر يسرا، الامر الذى سيضاعف من التواصل بين ارجاء الدولة الواحدة .
مولدات مياه بالطاقة الشمسية
عائشة كتب من هذه الصفحة لأن الصفحات التي في الأعلى كتبتنهن
يحتفل علماء العالم هذا العام ببداية الألفية الجديدة، ولكن على طريقتهم الخاصة، ففي إطار البحث عن مزيد من التطبيقات لاستخدام الطاقة الشمسية ؛ نجح علماء مركز أبحاث الطاقة الشمسية بولاية فيرجينيا بالولايات المتحدة الأمريكية في ابتكار طلمبات رفع مياه تعمل بالطاقة الشمسية.
ونظراً لأن دول الجنوب المتمثلة في أفريقيا وأمريكا الجنوبية وكل دول العالم الثالث، أغلبها في الأساس دول زراعية؛ وبالتالي فإن الماء هو الحياة بالنسبة لها، وطلمبات رفع المياه والري من أهم التكنولوجيات التي يحتاجون إليها.
قديماً كانت تُستخدم طلمبات تعمل بحرق الوقود الحفري في موتور يشبه موتور السيارة حيث يحتوي على عدد من السلندرات وهو في الغالب ثنائي الأشواط (2-stroke ) يتحرك داخل كل سلندر مكبس (piston) يندفع هذا المكبس نتيجة تمدد الغازات الناتجة عن حرق الوقود، ونتيجة هذا الاندفاع يحرك المكبس عمود الإدارة (crank) الذي يعمل على إدارة مضخات رفع المياه.
ولكن كما نعلم أن حرق الوقود ينتج عنه ملوثات كثيرة للبيئة، وكذلك فالوقود غالي الثمن، ومن المنتظر أنه سوف يرتفع أكثر في السنوات المقبلة، وأيضاً كفاءة هذه الماكينة تظل منخفضة لوجود أجزاء متحركة بها تستهلك جزءا كبيرا من طاقتها للتغلب على قوى الاحتكاك (friction) .
ومع إشراق الشمس على الجنوب الأخضر تدخل الطلمبات عصراً جديداً، وذلك باستخدام الطاقة الشمسية كبديل عن الوقود الحفري في تشغيل المضخات.
وتعتبر هذه التكنولوجيا هي الأفضل لدول العالم الثالث؛ نظراً لسطوع الشمس الدائم على معظم أراضيها، وكذلك فإنها رخيصة السعر ولا تحتاج إلى شراء ونقل ووقود باستمرار.
وتتكون الطلمبات الشمسية (solar water pump) من (خلايا شمسية-موتور كهربي-مضخة).
لخلايا الشمسية هي مصدر الطاقة في هذا الجهاز حيث تتكون الخلية من مواد لها خاصية إنتاج نبضات كهربائية (pulses) نتيجة إثارة ذراتها من ضوء الشمس مثل مادة السيزيوم (caesium) [CS] التي اكتشفها العالم بنزن (BUNSEN) عام 1860.
وهذه الخلايا تستطيع إنتاج فرْق جهد ما بين 12-30 فولت من التيار المستمر(DC) ، وبعد ذلك تستخدم الطاقة الكهربية في إدارة موتور يعمل على تشغيل مضخات رفع المياه والري.
ويصل العمق الذي يمكن أن يستخدم فيه هذا النوع من الطلمبات إلى 60 مترا تحت سطح الأرض.
وهنا نطرح سؤالاً هامًا: ماذا يحدث لو غابت الشمس في يوم أو جزء من اليوم؟! كانت إجابة هذا السؤال في أذهان العلماء فأضافوا في هذه الطلمبات نظام تحكم (control system) يحتوي على معالج صغير (microprocessor) يقوم هذا المعالج بمراقبة الطاقة بين الخلايا الشمسية والمضخة، ويستطيع تعديل قيمة الجهد الكهربي في حالة غياب الشمس أوتوماتيكياً للحصول على تشغيل مستمر.
فمثلاً في حالة الإضاءة الضعيفة ( low light condition) يقوم بزيادة الطاقة الخارجة (output) للحفاظ على استمرار الضخ.
وفي الاختبارات التي تحدد كمية المياه المرفوعة وعمق التشغيل وكمية الفولتات والأمبير والطاقة المستخدمة كانت النتيجة ما يلي:
حذف هذه الصفحة
العمق
بالمتر كمية الماء
بالجالون كمية الماء
باللتر أمبير فولت القدرة
بالوات
20 74 280.1 1.40 17 24
80 48 181.7 2.30 17 39
140 36 136.3 2.95 17 50
200 25 94.6 3.50 17 60
ومن أهم مميزات هذه التكنولوجيا أنها:
تُستخدم في العديد من المجالات مثل ري الأراضي، وإيجاد المياه لرعاية الماشية، وكذلك توفير الماء للوديان والمنازل البعيدة عن العمران، وتستخدم طاقة نظيفة لا تلوث البيئة، ويسهل حمل الجهاز ونقله من مكان إلى آخر؛ حيث يصل وزنه إلى 28 كيلو جرامًا فقط، وله عمر افتراضي من 20-30 عامًا أو 8000 ساعة تشغيل متواصل، واقتصادي على المدى الطويل، حيث إنه لا يحتاج إلى أي شيء.
والجدير بالذكر أن هذه التكنولوجيا قد استخدمت بالفعل في دولة السنغال في غرب أفريقيا وقد أثبتت نجاحاً كبيراً.
طاقة شمسية من القمر!
من المتوقع أن يصل عدد سكان العالم إلى 10 مليارات نسمة بحلول عام 2050م، وهذا العدد الهائل من البشر سيصل احتياجه من الطاقة إلى 5 أضعاف الطاقة التي يتم توليدها حاليا. لهذا ظهرت الحاجة للحصول على العديد من المصادر الطبيعية التي لا تنضب بخلاف المستخدمة الآن لاستغلالها استغلالا أمثل في إنتاج الطاقة مستقبلا.
ومن أطرف المشاريع المستقبلية في هذا المجال مشروع جديد يعتمد على القمر في توليد الكهرباء. ويرتكز هذا المشروع على أنظمة "الطاقة الشمسيةالقمرية" The Lunar Solar Power لبناء محطات لتوليد الطاقة الكهربائية على سطح القمر، تتكون من ألواح عريضة من الخلايا الكهروضوئية. وتقوم هذه الألواح بتلقي واستقبال أشعة الشمس الساقطة على القمر وعكسها في صورة أخرى إلى الأرض حيث تستقبلها أجهزة استقبال وتحولها إلى طاقة كهربائية.
وقد يبدو الحديث عن كهرباء من القمر أشبه بالخيال العلمي الآن، لكن عرض مشروع جديد لأول مرة في أكبر مؤتمر دولي لأبحاث وتقنية الفضاء المعروف بـ"كونجرس الفضاء العالمي" (انعقد في هيوستن في الولايات المتحدة في الفترة من 10-19 أكتوبر 2002)، أظهر أن هناك تخطيطا تفصيليا لهذه التقنية يظهر كيفية الاستفادة من طاقة الشمس على القمر، وتحويلها إلى كهرباء ترسل إلى الأرض لسد الاحتياجات المتزايدة لسكان الأرض
لماذا القمر؟
ولكن لماذا يذهب العلماء إلى القمر للحصول على الطاقة الشمسية بالرغم من وجود مواقع كثيرة زاخرة بأشعة الشمس على مدار العام على الكرة الأرضية! وعلى الرغم من أن مقدار الإشعاعات الشمسية التي تصل إلى الأرض كل 20 دقيقة يعادل طاقة الوقود الأحفوري التي تستعملها البلدان الرئيسية المستهلكة للطاقة سنة كاملة؟
للإجابة على هذه التساؤلات ينبغي النظر في البداية إلى هذا المشروع؛ باعتباره حلقة مهمة في سلسلة الآمال المعلقة على الطاقة الشمسية لحل مشاكل نقص الطاقة في المستقبل، ويؤكد "دافيد كريسويل" (صاحب الصورة ) مدير معهد عمليات علم الفضاء بجامعة هيوستون الأمريكية أن هذه العملية يمكن أن تمد الأرض بجميع احتياجاتها من الطاقة بحلول عام 2050.
ومن المعروف أن القمر لا يعرف العوائق التي تحد من كامل الاستفادة من طاقة الشمس على الأرض؛ فهو يخلو من الغلاف الجوي. ومن الطبيعي انعدام السحب والأمطار والعواصف الجوية والترابية فيه؛ مما يجعله مكانا مثاليا لالتقاط كميات هائلة من أشعة الشمس التي يتم الحصول عليها كاملة بصورة مستمرة؛ لأن أشعة الشمس تسقط على القمر طوال العام، ما عدا ثلاث ساعات فقط أثناء الكسوف القمري الكامل.. ويوضح "كريسويل" أن 1% فقط من الطاقة الشمسية التي يتلقاها القمر من الشمس (التي تقدر بحوالي 13 ألف تيراوات terawatts) كافية للوفاء باحتياجات الأرض من الطاقة، وأن المحطات التي سيتم بناؤها على القمر لن تتعرض لأي مؤثرات خارجية قد تؤثر على عملها في ضوء الانعدام المناخي الذي يتمتع به القمر.
استخلاص الكهرباء من الشمس
الخلاياالكهروشمسية
ومع افتراض البدء بتنفيذ هذا المشروع الآن فإنه من المتوقع الحصول على طاقة من القمر خلال 10 سنوات على الأكثر، ولكن قد ينتظر القائمون على هذا المشروع 5 أو 10 سنوات أخرى لبدء الخطوات التنفيذية، لكي تكون أجهزة استخلاص الكهرباء من الشمس في مستوى يضمن توفير كهرباء بلا حدود من القمر .
كيف يتم التخطيط للمشروع؟
يعتمد التخيل المستقبلي لوضع هذه التقنية في حيز الوجود على تقنيات علمية متوفرة حاليا وعلى المواد المتواجدة بالفعل على القمر، وليس هناك حاجة إلى شحن مواد خام إلى القمر لبناء هذه المحطات؛ لأن هذه المواد متاحة بالفعل في القشرة العليا للقمر lunar regolith.
ويمكن البدء في هذا المشروع عن طريق إرسال عدد محدود من رواد الفضاء إلى القمر مع سيارة قمرية معدلة من نوع "روفر" التي تعرف بـ"المتجول القمري المستقل ذاتي الحركة عبر سطح القمر" والتي ابتكرت أثناء الرحلات الشهيرة إلى القمر خلال الفترة من 1969-1972. ويفكر العلماء بإجراء بعض التعديلات عليها مثل تزويد السيارة بعجلات عريضة بها محركات خاصة تحيل تربة القمر إلى حالة قريبة من الانصهار، يستفاد منها في الحصول على السليكون وعلى الكثير من المواد الأخرى اللازمة لتصنيع الخلايا الشمسية.
ولن يكون هناك أي مشكلة في البناء؛ فيكفي عدد قليل جدا من الرواد، مع مجموعة مبرمجة من الروبوتات؛ ليتم إنشاء محطة ضخمة على القمر -كمحول طاقة شمسي عملاق- كفيلة باستقبال أكبر قدر من أشعة الشمس وتحويله إلى كهرباء، وستكفي نسبة 1% فقط من أشعة الشمس على القمر لإمداد ضعف عدد السكان في العالم بكل احتياجاتهم من الطاقة الكهربائية أو الحرارية. وبعد تشغيل هذه المحطة يعود الرواد إلى الأرض؛ لتقوم الروبوتات المبرمجة والمتصلة بمركز المتابعة على الأرض بمهام الإشراف الكامل عليها.
أما عملية توصيل الكهرباء من القمر للأرض فمن المتوقع أن تكون أكثر سهولة، وستتم عن طريق تحويل الطاقة الكهربية المجمعة من القمر إلى أشعة المايكروويف التي تنطلق بسرعة نحو الأرض ليتم استقبالها عن طريق أجهزة متطورة تعيدها إلى كهرباء. ويمكن أن يتم توزيع الكهرباء بالطرق التقليدية إلى جميع مناطق العالم، عبر مراكز مزودة بوسائل تضمن تلبية احتياجات البشر من الطاقة.
ويتوقع المؤيدون لإنشاء محطات الطاقة الشمسية القمرية أن هذه التقنية ستوفر طاقة كهربائية مستمرة ورخيصة إلى أهل الأرض، وأن الاستثمار الرأسمالي للقمر سيؤسس مستعمرات إنسانية كبيرة وقدرة تصنيعية عالية تستطيع خلق ثروة هائلة جديدة. كما يتوقعون أن هذه الثروة ستمكن الإنسان من الاستكشاف المربح للقمر والنظام الشمسي الداخلي، وستزيد من قدرات سكان الأرض والقمر في الدفاع عن أنفسهم ضد هجوم المذنبات والكويكبات الشاردة في الكون الفسيح .
خرز "كهروشمسي".. يضيء العالم مجاناً
هل يأتي اليوم الذي لا تدفع فيه فاتورة كهرباء للمنزل أو للشركة؟ أو تسير بسيارة شمسية عملية وأنيقة وسريعة ولا تشبه لعب الأطفال؟ أو تسمع الكاسيت في الخلاء أو حتى تستخدم حاسبك المحمول، وأنت خالي البال من هم البطارية ومصدر الكهرباء؟ الإجابة الأقرب على كل هذه التساؤلات هي: نعم، فما زال في جعبة تطبيق التقنية التي تلبي وتحقق هذه الأماني الكثير.
وعن قريب ستكتسي المباني بغطاء مرن يشبه قماش الدينم "Denim" الذي تصنع منه ملابس الجينز، يحول الطاقة الشمسية لكهرباء تنير تلك البنايات، وتزودها بالكهرباء اللازمة لتشغيل الأجهزة الكهربية التي بها.
وحسب الشركة Spheral Solar الكندية التي تنتج ذلك الغطاء "المنتج للكهرباء" فإنه يمكن أن يلف ويدور حول أي سطح؛ ما يعني أنه قد يكسو عددا لا حصر له من الأجهزة الكهربية ويمدها بالطاقة اللازمة لتشغيلها في الخلاء دون الحاجة لبطارية، أو أي مصدر آخر للكهرباء.
طبعا، فكرة الخلايا الشمسية ليست جديدة، لكن التطبيق هنا مختلف وثوري
فالمادة الجديدة فعلاوة على قابليتها للطي والالتفاف حول أي سطح، فهي رخيصة التكلفة، ومرنة وبالتالي لا تحتاج لعناية خاصة أو رعاية فائقة لتجنيبها الكسر، ويرجع ذلك لاستبدال رقائق السليكون الصلبة بآلاف من الخرز السيليكوني "Silicon Beads" الصغير جدا، مرصوصة في شكل صفوف متتالية؛ يشبه الصف منها عقدا من الخريزات الدقيقة، يضمها لبعضه البعض ويحصرها من أعلى وأسفل طبقتان رقيقتان للغاية من ورق الألومنيوم "Aluminium Foil".
هذه الصفحة غير المتماسكة من العقود المرصوصة بجوار بعضها البعض يقيها من الانفراط طبقتان رقيقتان من البلاستيك الشفاف المنفذ للضوء، والمرن في نفس الوقت، ويغلفان طبقتي الألومنيوم.
هنا تعمل كل "خريزة سليكونية" كخلية شمسية صغيرة جدا، تمتص ضوء الشمس وتحوله لكهرباء، ويقوم الألومنيوم بتجميع هذه الكهرباء وتوصيلها في نهاية الأمر لمجمع لها، يعد المقبس الذي يزود الجهاز الكهربي أو المبنى بالكهرباء.
وغني عن البيان أن شركة Spheral Solar تتحرق للعام المقبل، حيث ينتظر أن تطرح باكورة إنتاجها من هذا "power Denim" لتجني مكاسب سنوات طويلة -نسبيا- من تنفيذ تلك الفكرة وتنقيحها، بعد أن فازت ببراءة "المفهوم" الخاص بها عام 1997، وهي تتغنى برخص وتجدد الطاقة التي توفرها تلك التقنية، ومتانة المنتج نفسه وطواعيته في الاستخدام لأي غرض، والحق أنها في ذلك محقة.
وتأتي ميزة رخص تكلفة التصنيع لهذه التقنية من اعتمادها على نفايات صناعة رقائق السيليكون المستخدمة في الأجهزة الكهربية والإلكترونية، واستخدام مواد أولية رخيصة مثل السيليكون والألومنيوم والبلاستيك، وعدم استخدام أي عناصر نادرة أو مرتفعة التكلفة، إضافة لاعتماد أساليب غير مكلفة في التصنيع.
ومن خلال الجمع بين الطرق الكيماوية والميكانيكية، يتم إذابة السليكون الذي تم فرزه من تلك النفايات وتنقيته، ثم إعادة تشكيله مرة أخرى في شكل كرة قطر الواحدة منها ملليمتر فقط "خريزة"، يغطي ثقب لب هذه الخريزة بذرات عنصر البورون "Boron"، ليتكون القطب الموجب للخلية، وبصب غلالة رقيقة من ذرات مادة فوسفورية على السطح الخارجي السفلي للخريزة، يتكون القطب السالب لها.
وفيما يتدفق فائض الإلكترونات من القطب السالب للخلية إلى قطبها الموجب، ينشأ مجال كهربي يجذب بدوره الإلكترونات التي تنتج عن تحلل الفوتونات الضوئية التي قام السيليكون بامتصاصها عند وقوع ضوء الشمس عليها.
وحيث تؤدي آلاف الخلايا نفس العمل، تقوم طبقة الألومنيوم بتوصيل هذه الإلكترونات ببعضها البعض وينشأ تيار كهربي، يتم تجميعه للاستخدام في أي غرض. هنا ينبغي الإشارة إلى أن السطح المستدير للخلية وغير المستوي لإجمالي الصفحة "photovoltaic sheet"، يزيد إلى حد كبير السطح المتعرض للشمس، ما يعني أن التقنية تستخلص بذلك الأسلوب أكبر طاقة ممكنة من خلية كهروشمسية.
تطبيقات المستقبل
مبنى شمسي
غالبا ما يبتعد تصورنا للأشكال المعتادة للبنايات التي تستمد طاقتها الكهربية من الخلايا الكهروشمسية، عما ألفه الإنسان في أنساق المباني على اختلاف العصور والأماكن، وتقترب من فانتازيا أفلام الخيال العلمي، أو واقعه الماثل في الصوب الزجاجية كما هو واضح بالصورة التي على الشمال، لكن باستخدام الخرز الكهروشمسي يمكن الاحتفاظ بالطابع الذي يمكن وصفه هنا بـ "الإنساني"، فضلا عن اللمسة الجميلة.
بأي لون، وأي شكل، وأي نسق؛ يمكن أن تكسو ألواح الخرز الكهروشمسي المباني، وساعة أن يشحذ فنانو التصاميم المعمارية أزناد عقولهم قد لا يقف عائد كسوة البنايات بتلك الألواح عند إمدادها بالكهرباء -وهو هدف جليل عند الكثير- بل ستخرج إلى الوجود بنايات ذات واجهات وأسطح جميلة الشكل وأخاذة المنظر تجمع الجمال والعملية.. والتوفير، كما يبدو -في الصورة على اليمين- ذلك المبنى المكسو تماما بألواح الخرز الكهروشمسية الملونة المرنة.
قرميد شمسي
أما إذا أصر صاحب البناية أو مصممها على الطابع الذي ألفه الإنسان، فإن قرميد سطح المنزل نفسه قد تكسوه ألواح الخرز الكهروشمسي وتلصق به، وتصبح جزءا لا ينفصل عن شكل القرميد دون أن تلحظه عين، وبالرغم من ظهور المنزل من بعيد عاديا لا جديد فيه، فإنه ينعم بطاقة رخيصة ونظيفة، ومتطورة (الصورة يميناً)، ليس كسابقه الذي كانت تشوه منظر الخلايا الشمسية (الصورة يساراً).
أما في مجال السيارات التي تسير بالطاقة الشمسية فإن معظم المحاولات التي تمت حتى الآن لا تخرجها من حيث الشكل عن دمى الأطفال أو سيارات أفلام الكارتون، والأهم في هذا السياق هو محاولة توفير أكبر مسطح للخلايا الكهروشمسية العادية حتى يمكن ضمان أكبر مساحة معرضة لضوء الشمس؛ ما يعود على شكلها بالهزلية والعبثية.
سيارة شمسية
ومن حيث المضمون فهي بعيدة تماما عن العملية، فليست بأي حال السيارة التي اعتدناها، فلا هي تسع الأسرة حيث تفتقد لمقاعد غير مقعد القائد، ولا حقيبة خلفية بها تحمل داخلها الأمتعة، ثم إنها في النهاية بطيئة، ولا تصلح لقضاء الحوائج، وقطع مسافات الأسفار.
أما باستخدام ألواح الخرز الكهروشمسي فالسيارة كما تبدو في الصورة المقابلة سيارة عادية جدا، وتستطيع الألواح من حيث الشكل المحافظة على خصائص السيارة المعنية بديناميكا الهواء "aerodynamics"، التي يوليها مصممو السيارات عناية فائقة في السيارات الحديثة، وبالطبع هي محل ترحيب من كل المعنيين بالحفاظ على نظافة وسلامة البيئة، وموفرة لأموال صاحبها، وراحة باله من أسعار الوقود ونفاذه، وحل مثالي للنقل في البلاد المشمسة. وهي مميزات تجتمع سويا لتعد بسوق رائجة.
[/hide]
