Header Ads

الطاقة الشمسية وإسغلالاتها

فيزياء ( كتب فيزياء ـ مراجع فيزياء ـ بحوث فيزياء ـ دروس فيزياء ـ محاضرات فيزياء ـ برامج فيزياء ـ فلاشات فيزياء ـ علوم وتكنولوجيا ـ مناهج فيزياء ـ فيزياء ذرية ـ فيزياء نووية ـ  إلكترونيات ـ كهربائية ـ مغناطيسية ـ كهرومغناطيسية فيزياء الكون )
الطاقة الشمسية وإسغلالاتها

هنالك صور مختلفة للطاقة منها : الطاقة الحرارية ، والكهربائية ، والميكانيكية ، والكيميائية ، .... الخ
تعرف الطاقة  بأنها عبارة عن القدرة على إنجاز شغل .
*هنالك مصادر متعددة للطاقة منها :
1ـ الطاقة الشمسية           2ـ طاقة المياه              3ـ طاقة الرياح           4ـ طاقة الوقود الأحفوري            5ـ طاقة الوقود النووي




ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
أنواع الطاقة من حيث مصادرها :  صنفت الطاقة من حيث المصادر إلى نوعين هما
1ـ الطاقة غير المتجددة (( الناضبة ))         2ـ الطاقة المتجددة (( غير الناضبة ))
أولاً : الطاقة غير المتجددة (( الناضبة )) :هي الطاقة التي يمكن الحصول عليها من مصادر محدودة الاحتياطي مثل 1ـ الوقود الأحفوري ( النقط والفحم الحجري وغيرها) , 2ـ الوقود النووي .  
من عيوب هذه الطاقة : تبعث بغازات سامة أثناء احتراقها ، أن الطاقة النووية تبعث بإشعاعات خطيرة جداُ
ثانياً : الطاقة المتجددة ((غير الناضبة))  هي الطاقة التي يمكن الحصول عليها من مصادر طبيعية ، مستمرة ، مثل أشعة الشمس ، وينابيع المياه الدافئة المتدفقة من باطن الأرض أو من مياه الشلالات والأنهار الجارية ،والرياح وطاقة الكتلة الحيوية ، ومياه البحار اوالمحيطات    
ويسمى هذا النوع بالطاقة النظيفة (علل) لأنها غير ملوثة للبيئة.
س: علل : يفضل استخدام الطاقة الشمسية عن الطاقة الناتجة من النفط . (وزاري)
س: قارن بين الطاقة الشمسية والطاقة النفطية من حيث التجدد والنضوب والنظافة التلوث . (وزاري)
ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
أعظم مصدر للطاقة
إن أعظم مصدر للطاقة في الكون هي الشمس ، وتسمى الطاقة التي تصلنا من الشمس بالطاقة الشمسية ، وهي طاقة متجددة .
الشمس: عبارة عن نجم يبعد عن الأرض بحوالي (150) مليون كيلو متر ، ويبلغ حجمها   مليون مرة قدر حجم الأرض ، وما يصل
إلينا من طاقتها يكفل الحياة بكل صورها على سطح الأرض قال تعالي ( وجعلنا سراجاً وهاجاً) النبأ الآية (13)
ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
طبيعة الطاقة الشمسية
تنتج الطاقة الشمسية من التفاعل الاندماجي النووي الذي يحدث في باطن الشمس حيث تندمج أربع  نوى ذرات الهيدروجين إلى نواة  ذرة الهليوم ، وفي هذه العلمية تحدث نقص في الكتلة ،حيث يكون مجموع كتل أربع ذرات هيدورجين أكبر من كتلة ذرة الهيليوم الناتجة  وهذا النقص في الكتلة يتحول إلى كمية هائلة من الطاقة الإشعاعية نتيجة الاندماج النووي ، وفقاً لمعادلة أينشتاين وهي : طا = ك×ع2
ويحدث هذا الاندماج تحت ضغط وحرارة عاليين.
*إن الضغط في داخل الشمس يصل إلى عدة ترليونات قدر قيمة الضغط الجوي ، ودرجة حرارة باطن الشمس تصل إلى حوالي 13 مليون درجة مطلقة .
ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
حساب الطاقة الناتجة عن إندماج أربع أنوية ذرات هيدروجين لتكوين نواة ذرة هليوم  في الشمس
س: احسب مقدار الطاقة الناتجة عن اندماج أربع ذرات هيدروجين لتكوين ذرة هيليوم علماً بأن كتلة نواة ذرة الهيدروجين (1.008 و.ك.ذ) وكتلة نواة ذرة الهليوم (4.003 و.ك.ذ)
الحـــل
تحسب الطاقة من العلاقة :     طا = ك×ع2  =ك × 931.5 م.إ.ف      ولكن علينا أولاً حساب الفرق في الكتلة ك
كتلة نواة ذرة الهيدروجين =1.008  و.ك.ذ
كتلة 4 أنوية هيدروجين = 4 × 1.008 = 4.032  و.ك.ذ
                             كتلة نواة الهيليوم = 4.003 و.ك.ذ 
الفرق في الكتلة بين 4 أنوية هيدروجين ونواة ذرة الهليوم (∆ك) = 4.032 - 4.003 = 0.029 و.ك.ذ
طا = ك ×931.5 م.إ.ف =0.029 × 931.5=27 مليون إلكترون فولت.
ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
مكونات الشمس : تتكون الشمس من (70%) هيدروجين ، و(28%) هليوم ، و(2%) عناصر أخرى.
*إن ما يصل إلى الأرض من الطاقة الشمسية جزء بسيط جداً ، حيث يصل إلى الأرض بدون وسط مادي وبسرعة (3×810م/ث)
*إن الطاقة الشمسية الواصلة إلى الأرض لا تمتص كلها ولكن :
(47%) فقط من الإشعاع الشمسي تمتصه الأرض يومياً في اليابسة والمسطحات المائية ويتحول إلى طاقة داخلية مخزونة تدفئ الأرض وتبخير مياه البحار والمحيطات ويتصاعد في صورة بخار ماء مكوناً السحب وجزء من هذه الطاقة يشع راجعاً إلى الفضاء ليلاً في صورة أشعة فوق بنفسجية فيبرد سطح الأرض ليلاً عنها نهاراً
(34%) من ذلك الإشعاع ينعكس مرتداً إلى الفضاء الخارجي ،
(19%) يمتص في الغلاف الجوي المحيط بالأرض.
متوسط الطاقة الشمسية على وحدة المساحات من سطح الأرض
لقد وجد ان (1سم2) من سطح الأرض يستقبل في المتوسط (2) سعر في الدقيقة.
مثال1: أوجد متوسط الطاقة الشمسية الساقطة على وحدة المساحات من سطح الأرض إذا علمت أن كل 1سم2 من سطح الأرض يستقبل في الدقيقة الواحدة ما يقرب من (2) سعر من الطاقة.                              المثال في تقويم الوحدة س5
متوسط الطاقة الشمسية الساقطة على وحدة المساحات في الثانية =  =0.14 جول /ثانية.سم2

المساحة = 3كم2 = 3 × (310×210)= 3×1010سم2
ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
مثال2: احسب كمية الطاقة الساقطة على مساحة مقدارها 3 كم2
كمية الطاقة الساقطة على المساحة = مساحة الحقل × متوسط الطاقة الشمسية على وحدة المساحة
                                          = 3×1010 × 0.14 =4.2 × 910جول/ث.سم2
ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
مثال3:احسب كمية الطاقة الساقطة على سطح كرة وهيمة محيطة بالشمس (أي أن مركزها الشمس) ونصف قطرها المسافة المتوسطة بين الشمس والأرض وتساوي (150) مليون كيلو متر.
الحــل
نصف قطر الكرة الوهمية التي مركزها الشمس = 150 مليون كيلو متر = 150 × 910 متر=150 × 910 × 210 =150 × 1110 سم
مساحة الكرة الوهيمة التي مركزها الشمس = 4π نق2 = 4 ×  × 150 × 1110= 2.828 × 2710سم2
الطاقة الصادرة من الشمس = مساحة الكرة الوهمية بوحدة (سم2) × الطاقة الساقطة على السنتيمتر المربع (سم2) من سطح الأرض
                                  = 2.828 × 2710سم2 × 0.14 = 3.26 × 2610 جول / ث
ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
 س: إذا علمت أن واحد سنتيمتر مربع من سطح الأرض يستقبل في المتوسط (0.14) جول لكل ثانية ، احسب الطاقة الإشعاعية الكلية الصادرة عن الشمس في الثانية علماً بأن المسافة بين الأرض والشمس تساوي (150 × 610 ) كم.  وزاري
جـ : الإجابة نفس إجابة المثال السابق (مثال 3)
ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
العوامل التي يتوقف عليها متوسط الطاقة الشمسية الواصلة إلى سطح الأرض :
إن كمية الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى نقطة ما من سطح الأرض تختلف وفقاً لـ :
1ـ الموقع الجغرافي من سطح الأرض أي بعدها وقربها من خط الاستواء ومن مستوى سطح الأرض.
2ـ درجة ميل الأشعة .
3ـ مدى صفاء السماء .
4ـ مقدار ما يمتص منهما في الغلاف الجوي .
ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
أنواع الإشعاعات الشمسية :
ترسل الشمس أنواعاً كثيرة من الإشعاعات تعرف باسم الإشعاعات الشمسية ، وهي تشكل ما يسمى بالطيف الشمسي الكهرومغناطيسي وقد وجد أن
1ـ بعض هذه الإِشعاعات تمتص باصطدامها بجزيئات الهواء مثل أشعة جاما والأشعة السينية.
2ـ وبعضها يمتص من قبل طبقة الأوزون (o3 ) مثل الأشعة فوق البنفسجية.
3ـ وبعضها يمتص من قبل طبقات بخار الماء والغازات الخاملة الموجودة في الجو مثل الأشعة تحت الحمراء.
الأشعة المرئية : هي الأشعة التي تتكون من الطيف المرئي والذي تكون أطوال موجاته محصورة بين بين (0.4 ميكرو متر ) و (0.7 ميكرو متر ) حيث يمكن رؤيته بالعين المجردة.                                                                                                                                 
تجربة توضح مكونات الطيف المرئي من الإشعاع الشمسي ؟

              منشور ثلاثي

نسقط ضوء أبيض على أحد جوانب المنشور الثلاثي ، فنلاحظ أنها تكون على حائل شريطاً من الألوان التالية: أحمر ، برتقالي ،أصفر، أخضر ، أزرق ، نيلي ، بنفسجي ،  وكذلك عن استخدام المطياف في تحليل الطيف الشمسي نحصل على نفس الألوان

مناطق الطيف المنبعث من الشمس هي :

المنطقة الأولى : النافذة الضوئية : وتحتوي على الأشعة المرئية (الطيف المرئي) ويتكون من (أحمر ، برتقالي ،أصفر، أخضر ، أزرق ، نيلي ، بنفسجي) وأطوالها الموجية محصورة بين (0.4 ميكرو متر ) و (0.7 ميكرو متر ) وما يصل منها إلى الأرض هو جزء ضئيل جداً من الطيف الشمسي،
*كما أنه يصل إلى الأرض جزء ضئيل من المنطقة القريبة من الأشعة فوق البنفسجية ذات الأطوال الموجية : (0.4 ميكرومتر > l > 0.3 ميكرومتر) والتعرض لهذه الأشعة لمدة طويلة يؤدي إلى حروق جلدية.
المنطقة الثانية: منطقة الأمواج الراديوية:
وتضم هذه المنطقة الأشعة تحت الحمراء ويتراوح طول موجاتها بين (0.7ميكرومتر) و (100 ميكرومتر)، والأشعة فوق البنفسجية هذه الأشعة هي التي تعطينا الدفء والحرارة
وكذلك تضم منطقة الأشعة فوق البنفسجية ويترواح طولها الموجي بين (0.3 ميكرومتر ) و( 0.4 ميكرومتر)
ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
ينقسم الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى الأرض وفقاً للطريقة التي يصل بها إلى :  
1ـ الإشعاع المباشر : وهو الإشعاع الذي يصدر من الشمس ولم يتعرض لأي تغيير في اتجاه مساره سوى بعض ما يحدث له من انكسار في الغلاف الجوي .
2ـ الإشعاع المنتشر : هو الجزء من الإشعاع الشمسي المشتت في الجو بسبب الانعكاسات والانكسارات التي تحدث له والذي يسقط على سطح ما من جميع الاتجاهات
*العوامل التي يتوقف عليها الإشعاع المنتشر هي :
1ـ زيادة الغيوم: حيث تزداد كمية الاشعة المنتشرة بزيادة الغيوم       2ـ الغبار في الجوب .
ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
تجميع الطاقة الشمسية والاستفادة منها
للطاقة الشمسية فوائد كبيرة حيث يتم استغلالها بطرق مختلفة منها :
1ـ تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية:ويتم ذلك عن طريق المسطحات المستوية والمرايا المجمعة
2ـ تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية: ويتم ذلك إما بطريقة مباشرة أو بطريقة غير مباشرة
أولاً : المسطحات المستوية: حيث يتم إسقاط أشعة الشمس على صندوق معتم من الداخل وله غطاء من الزجاج الشفاف يسمح بنفاذ الأشعة الشمسية إلى داخل الصندوق ، ولكن لا يسمح بخروجها ، فيمتص السطح الداخلي المعتم للصندوق هذه الأشعة ، وتخزن في شكل طاقة حرارية في الهواء المحبوس بداخل الصندوق تنتقل بالتوصيل إلى أنابيب يمر فيها ماء مثبته في قاع الصندوق فوق سطح معدني اسود فيسخن الماء ويستخدم لأغراض مختلفة مثل تدفئة الغرف ، وتدفئة المياه المستخدمة للاستحمام.

ثانياً: المرايا المجمعة: هي مرايا على شكل قطع مكافئ ولها أحجام مختلفة . وتقوم هذه المرايا بتجميع أشعة الشمس في بؤرة متقاربة وعند نقاط معينة ، فترتفع درجة الحرارة عند نقاط التجميع إلى حد كبير قد يصل إلى (4000 5م)، حيث يتم تبخير الماء أو أي سائل آخر تكون درجة غليانه أقل من درجة غليان الماء ، ثم يوجه البخار ليستخدم في مجالات مختلفة مثل توربين أو إدارة ملف المولد الكهربائي.
تطبيقات لاستغلال الطاقة الشمسية في الحياة
من التطبيقات على استغلال الطاقة الشمسية :
أولاً : توليد الطاقة الحرارية: من طرق توليد الطاقة الحرارية :

1ـ تحلية مياه البحر : يوضع ماء البحر في حوض ضحل ضمن بيت زجاجي حيث ينفذ قسم كبير من أشعة الشمس إلى البيت الزجاجي ثم تمتص من قبل لوح معدني أسود موضوع أسفل الحوض ،
يمتص ماء البحر هذه الطاقة وترتفع درجة حرارته فيتبخر ، ومن ثم يتكاثف الماء المتبخر على الجدران الداخلية للبيت الزجاجي
يتم جمع الماء العذب المتكثف في قناتين على جانبي البيت ويوزع للاستهلاك .
من عيوب هذه الطريقة أنها بطيئة ,كمية الماء العذب التي يمكن الحصول عليها تعتمد على مساحة الأحواض
س: علل: يوضع أسفل حوض تحليه مياه البحر لوح معدني أسود .
س: اشرح كيف يمكن استغلال الطاقة الشمسية في كل من الآتي : 1ـ تحليه مياه البحر . (وزاري)           
ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
2ـ التدفئة: تستخدم المياه الساخنة بفعل الطاقة الشمسية في تدفئة المنازل وذلك بدفع المياه للمرور في أنابيب تمر أولاً في مجمعات
حرارة الشمس حيث تمتص الحرارة أثناء دورتها في الأنابيب التي تمتد إلى داخل غرف المنزل المختلفة وتعمل على تدفئتها.
س: كيف يمكنك تنفيذ المشاريع العلمية التالية موضحاً إجابتك بالرسم :
   1ـ تصميم دائرة لتدفئة المنازل في فصل الشتاء باستغلال الطاقة الشمسية . (وزاري)
ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
3ـ البيوت الزجاجية : تصنع هذه البيوت من الزجاج حيث تعمل على خزن كمية هائلة من الحرارة الآتية من الأشعة الشمسية ، حيث توضع النباتات بداخلها بغرض الحفاظ عليها من البرودة في فصل الشتاء ، بحيث تتوفر الشروط اللازمة لنمو النبات داخله من حيث
توفر الحرارة والضوء وثاني أكسيد الكربون.
4ـ الأفران الشمسية: تتكون الأفران الشمسية من مرآة مقعرة كبيرة مصنوعة من الألمنيوم اللامع وتقوم هذه المرايا بتجميع الأشعة
الشمسية في بؤرتها على حامل أسود ليمتص كمية هائلة  من الأشعة الشمسية التي تتحول إلى حرارة تستخدم في المواقد الشمسية لطهي الطعام ، حيث يوضع الطعام على الحامل في المرايا الصغيرة ، أو بصهر المعادن في الأفران الشمسية الكبيرة المستخدمة لصهر المعادن.
ثانياً: توليد الطاقة الكهربائية: هنالك طريقتان للحصول على الطاقة الكهربائية من الطاقة الشمسية هما :
1ـ طريقة غير مباشرة لتحويل الطاقة الشمسية إلى كهربائية : تصنع محركات شمسية تتكون من غلاية مائية مثبته فوق برج وتوضع حولها عدد كبير من المرايا المقعرة تعمل على تجميع وتركيز أشعة الشمس على الغلاية باستمرار ، وعندما يغلي الماء في الغلاية يتحول إلى بخار يخرج بسرعة كبيرة من فتحة في أعلى الغلاية ليدير تربيناً ، ويدير التربين مولداً كهربائياً .
2ـ طريقة مباشرة لتحويل الطاقة الشمسية إلى كهربائية: ويتم ذلك عن طريق البطاريات الشمسية ( الخلايا الشمسية) حيث تعمل هذه الخلايا على تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية بطريقة مباشرة و
الغرض من البطاريات الشمسية: تحول الطاقة الشمسية إلى كهربائية بطريقة مباشرة.
استخدامها: تستخدم في الآلات الحاسبة والأقمار الصناعية والساعات .



إعداد وتصميم الأستاذ / محمد عبد الرحمن علي الشرعبي 
مدرس مادة الفيزياء في مدرسة باكثير الأساسية الثانوية
اليمن ـ تعز 

هناك 3 تعليقات:

  1. كتاب جيد ومشكور عليه

    ردحذف
  2. شكراً على المجهود الرائع ولكن دعنى اسرد لك بعد مميزات الطاقة الشمسية

    مميزات اعمدة الانارة بالطاقة الشمسية

    تكلفة أعمدة الإنارة الشمسية مساويا لتكلفة العامود العادي. هذا النظام يعمل بإستقلالية تامة عن شبكة الكهرباء و بالتالي مثالي للتطبيق علي الطرق في المناطق البعيدة عن العمران لا يؤثر انقطاع التيار الكهربائي على إضاءة الشوارع. التوفير في التكلفة البنية التحتية للأعمدة من كابلات وحفر وردم.

    عمر مشعات الليـــد المستخدمة في اعمدة انارة بالطاقة الشمسية أضعاف عمر وحدات الأضاءة العادية .صديقة للبيئة وسهلة التركيب. لا تحتاج الي الي الحفر و تكسير الأسفلت لتوصيل الكابلات الكهربائية في حالة استخدامها لأضاءة طرق قائمة

    المشعات الليد LED لا تنتج الأشعة تحت الحمراء وبالتالي لأ تجذب الحشرات, و ذلك علي عكس اللمبات التقليدية حيث نحد الحشرات تحتشد حول الضوء

    ردحذف

يتم التشغيل بواسطة Blogger.