استخدام الطاقة الشمسية

استخدام الطاقة الشمسية
بناء غلايات شمسية ,اساس الانتفاع بالطاقة الشمسية,الديناميكا الحرارية ,ندير محركا صغير وكبيرا باستعمال الحرارة ,المنازل التى تستدفى باشعة الشمس بواسطة مجمعات الالواح المسطحة ,تحويل الضوء الى كهرباء

هذا الفيض الكبير من نور الشمس الذى يحتوى كل ساعة من الطاقة ما يعادل احتراق 21 بليون طن من الفحم . ويرى الدكتور شارلز ابوت من معهد سيثسمون ان ولاية نيومكسيكو تستطيع ان تقدم من الاشعاع الشمسى الساقط عليها بقوة تزيد على 10 تريليون حصان ساعة فى العام ، وذلك بعد استبعاد اوقات الليل وا كفهرار الجو . واليابسة فى المناطق المعتدلة والاستوائية تغمرها كمية من الطاقة الشمسية فى اليوم تزيد على ما استخدمة الجنس البشرى كلة من الطاقة الحادثة من الوقود والمياه الساقطة ومن عضلاتة منذ ان خرج الانسان من بين الاشجار من مليون سنة ، وكل ما تبقى فى العالم من الفحم والبترول والغازات الطبيعية لا يزيد ما بة من الطاقة عن 100 يوم فقط من شعاع الشمس ، بل ان كمية الطاقة التى توجد فى جزء صغير مما نتلقاه من سخاء الشمس تزيد على الطاقة الموجودة فى كل ما بالارض من اليورانيوم . 

وحتى الان لم يستطيع اى مهندس ان يستغل كل الطاقة التى تنتج عن احتراق طن من الفحم ، بل ان الفاقد من هذة الطاقة يصل الى حوالى 80% وكذلك الحال مع الطاقة الشمسية ، لكنة على الرغم من قصور الهندسة عن الاستفادة الكاملة من هذه الطاقة الا ان الكمية التى ينتظر تسخيرها من الشمس لرى الصحراء وحفر الصخور فى المناجم وانتاج عديد من السلع الاخرى كمية هائلة جديرة بالدراسة والبحث . وازاء هذه الاحتمالات البراقة انبرى الدكتور جود فرى كابوت للتبرع فى عام 1928 لمعهد ماسوشتسى للتكنولوجيا ( الذى تخرج منة ) للقيام بالبحوث الهادفة نحو استغلال الطاقة الشمسية استغلالا اقتصاديا .

وكان كابوت قد انشا من قبل ذلك فى هارقارد مؤسسة ماريامورس كابوت للبحوث النباتية ، لتدرس ــ اساسا ــ نمو النباتات ، اذا ان كل ورقة خضراء من العشب او الشجر انما هى مخزن للطاقة الشمسية ، فاذا ما اتيح لنا زيادة النمو واسراعة امكن الحصول على مزيد من الطاقة .

وطبقا لشروط هبة الدكتور كابوت لمعهد ماسوشتس يعمل فريق من المهندسين تحت قيادة الدكتور هويت هوتل للكشف عن امكانيات الطاقة الشمسية ، فيدرسون الطرق المختلفة لجمع حرارة الشمس ( وقد تكون هذه الطرق غير مجدية اليوم )، ووسائل استخدام هذه الحرارة ليس فقط لادارة المحركات ولكن لتدفئة المنازل كذلك ، و يستنبطون انواعا جديدة من (( البطاريات )) الكهربائية تعمل باشعة الشمس ، ويتفحصون طرق حفز العمليات الحيوية التى تجرى داخل النبات ، حيث يتم تحويل ثانى اكسيد الكربون والماء الموجودين فى الهواء بوساطة اشعة الشمس وحدها الى الاوكسجين والسكر والنشا والخشب .

وفكرة استغلال اشعة الشمس لادارة المكنات فكرة قديمة قدم المراة المقعرة والعدسة المحدبة . وكل منا مر بهذة التجربة فى صباه بان اضرم النار فى قصاصة من الورق باستخدام عدسة يجمع بها اشعة الشمس ، وحتى خلال القرن الثامن عشر استطاع الكمياوى الشهير انطوان لافوازيية ( الذى اطاحت المقصلة براسة ايام الثورة الفرنسية ) ان يدرك مدى قوة تجمع اشعة الشمس فوجد انه من الممكن صهر البلاتين بوساطة عدسات كبيرة من الكحول ــــــــ والواقع انه لا يوجد سوى عدد ضئيل من المواد التى تستطيع ان تقاوم اشعة الشمس المركزة . فلماذا لا نضع غلاية فى بؤرة مراَة كبيرة على شكل قطع مكافىْ ، وهى لا تقل فاعلية فى تجميع الاشعة عن العدسة ، ونحصل على البخار اللازم لادارة المحركات ؟

ولقد اجرى المخرعون الاوائل لمحطات القوى الشمسية تجاربهم
بناء غلايات شمسية
الطائرات فى السماء ، والمرايا الكبيرة جداً من هذا النوع صعبة الصنع مرتفعة الثمن ــــــــ ويدعى الروس انهم قد امكنوا من صنع مرايا هائلة الزجاج الرخيص ظهورها من الابلكاش . وكلما كبر حجم المرايا كلما كانت افضل واقدر فى العمل اذ ان كمية الحرارة الشمسية التى يمكن تركيزها تتناسب مع مربع قطر المراة ــــ والمراة التى يبلغ قطرها عشرين قدما تركيز ليس فقط ضعف المراَة التى قطرها عشر اقدام بل اربعة امثال هذة المراَة . ويقول احد التقارير الصادرة من المعهد الروسى للطاقة الشمسية ان مراَة هائلة على شكل قطع مكافىْ (( قد اثبتت عمليا امكان توليد البخار على نطاق صناعى فى اى وقت من السنة )) ويقال ان المراَة الروسية الاولى التى صنعت من زجاج مدرفل وظهرها من الخرسانة المسلحة قد انتجت بخارا عند درجة حرارة 875 درجة فهرنهيتية ، وامكن بالتالى بناء غلايات شمسية روسية تعمل عند ضغط 30 رطلا على البوصة المربعة ودرجة حرارة 365 فهرنهيتية . وعلى الرغم مما يبدو فى هذا القول من المبالغة ( من نوع ما يتشدق به الكثيرون من ازالة الجبال وتحويل مجارى الانهار بالانفجارات الذرية )


اساس الانتفاع بالطاقة الشمسية
ولقد انفق جون اركسون ما يقرب من مائة الف دولار لبناء محطات للقوى الشمسية ثم وصل الى ان السبب المعوق لاستخدام الطاقة الشمسية هو تكاليف بناء المرايا ، وقال ( كما قال اخرون ممن اتوا بعده ) بانة على الرغم من ان اشعة الشمس لا تكلف شيئا الا انها تحتاج الى العبقرية والمال لاقتناصها . ومن الناحية النظرية يمكن توليد قوى قدرها حصان واحد من متر مربع من الارض ( فى احسن الظروف ) ، ولكنة ازاء الفقد الذى لا مندوحة عنة يحتاج توليد الحصان من القوى الى مالا يقل عن اربعة امتار مربعة ، وربما يصل هذا الرقم الى عشرة امتار مربعة واذا تطلب الامر افتراش خمسة او ستة اميال مربعة من المرايا للحصول على الف حصان فلا شك ان ذلك يفت فى عضد اشد المتحمسين ، حتى ولو كان جون اريكسون الذى لا يكل من الانفاق . 

ولما كانت تكاليف المرايا المقعرة الصحيحة كما نعلم من الارتفاع ، فلقد لجا المهندسون الى ما يسمونه (( مجمعات الالواح المسطحه )). وربما يوضح لنا ((رصيف)) الشارع فى احد الايام الحارة فعل هذه المجمعات ، اذ ليس من العجيب ابدا ان ((نقلى)) البيض على هذا (( الرصيف )) حينما تبلغ درجة الحرارة 32 درجة مئوية فى الظل واذا عزلنا الطبقة السطحية من ((الرصيف))بحيس لا تتسرب الحرارة الى الارض ، ووضعنا شريحة من الزجاج على بعد بضع بوصات من سطح الرصيف فاننا نحصل على انموذج (لجمع الالواح المسطحه ) ، ومن هذا الانموذج نستطيع ان ندرك على الفور اساس الانتفاع بالطاقة الشمسية فى القوى المحركة . فنحن اذا سمحنا لغشاء رقيق من الماء ان ينساب فى المسافة ما بين ((الرصيف)) وشريحة الزجاج فان الغشاء يسخن لكنه لا يصل الى درجة الغليان ابدا ، وبمقتضى الاسس التى تطبق فى كل محطات القوى فاننا نستطيع ان نحمل البخار الساخن الناتج من هذا الغشاء على ان يدير محركا منخفض الضغط .

ونجد مغزى الظاهرة فى القانون الثانى 
الديناميكا الحرارية 

الذى يتناول حقيقة واضحة كل الوضوح تعنى ان الحرارة مثل غيرها من الاشياء الاخرى تسرى دائما من المكان المرتفع الى المكان المنخفض ، وكلما نشاهد فى حالة الشلالات كلما ذاد ارتفاع سقوط الماء كلما زادت  كمية الطاقة ، كذلك الحرارة كلما زاد  مقدار هبوطها من الغلاية الى عادم المحرك كلما ارتفع مقدار القوى التى تحصل عليها من الوقود . واذا كانت كمية الماء الساقطة على هوة سحيقة كمية قليلة ، فان طاقتها لاتجتذب اهتمام مهندسى محطات القوى المائية ، ومن ناحية اخرى اذا كانت كمية الماء الساقطة كمية هائلة ، ولا يبلغ سقوطها اكثر من 20 او 30 قدما لكنها ممتدة على رف صخرى يبلغ عرضة عدة اميال ، فاننا نستطيع بسهولة ان ندير بها عددا من السواقى الكبيرة ونستنبط القوى الكهربائية .

وكذلك الحال مع الحرارة ، ينطلق البخار فى محطة توليد الكهرباء خلال عدد من التربينات المتتابعة ، وكل تربينة تكبر سابقتها ، ويستعان بالتفريغ عند طرف العادم لجذب البخار خلال هذة التربينات ، وكلما انخفضت حرارة البخار عند طرف العادم كلما اغتبط المهندس السئول عن ادراة المحطة ـــــ وهذا المهندس يستطيع ان يستغل حتى ماء الحمام  الذى لا تزيد حرارتة عن 37 درجة مئوية فى ادارة احدى تربينات الضغط المنخفض للمرحلة النهائية فى المحطة . ونحن نستطيع ان نجرى تجربة فى المعمل نحمل فيها الماء على الغليان بمجرد استعمال التفريغ ، ويمكننا كذلك ان ندير محركا صغير فى هذة العملية . وهكذا يتبين ان مجمعات الالواح المسطحة  ( تنتظرها بعض الاستخدامات الصناعية الطبية ) واهم ما يعنينا فى هذا الشان رخص التكاليف

والمنازل التى تستدفى باشعة الشمس تعتمد عادة على مجمعات الالواح المسطحة
والتى تكون جزءا من السقوف المائلة او التركيب فى الحوائط الخارجية . ولقد درس معهد ماساشوستس للتكنولوجيا نوعين من هذه المنازل ، انشا احدهما المهندسون الذين يقومون بالبحث طبقا لشروط الهبة المقدمة من جود فرد كابوت ، واقامت الاخر الدكتورة ماريا تلكس استاذة علم المعادن بالمعهد ، والتى استقلت بتنفيذ افكارها المبتكرة . ويختلف المنزلان بعضهما عن بعض فى طريقة اختزان الحرارة ، ففى المنزل الاول يسخن الماء مباشرة عن طريق المجمع الذى يغطية الزجاج الموضوع فوق السطح ، وينساب الماء الى صهريج جيد العزل حيث يؤخد منه الماء ليدفىْ حجرات المنزل ، اما الدكتورة تلكس فقد لجات فى اختزان الحرارة الى ملح جلوبر او غيرة من المواد الكمياوية الرخيصة تضعها فى علب محكمة القفل ، وتولجها فى صهريج الماء المعزول ، الذى يكون احد حوائط المنزل . وهذه المواد الكمياوية تنصهر عند درجة 32 مئوية تقريبا ولكنها تختزن الحرارة عند صهرها . وحينما تنتقل هذه الحرارة فيما بعد الى الماء (الذى يمر فى السخان المائى) تعاود هذه المواد تبلورها ـــــ وهى بذلك لا تحتاج الى تجديدها مطلقا . وتقول الدكتورة تلكس بان نظامها يختزنها ، وقد يقتضى الامر فى بعض المناطق الاستعانة بسخانات كهربائية اضافية لمساعدة هذة المجمعات الحرارية اذا ما امتدت فترات البرد او طال مكوث السحب المكفهرة .

تحويل الضوء الى كهرباء 
تحويل الضوء الى كهرباء . ليس ذلك النوع الذى يفتح الابواب عند الاقتراب منها ولكنة اضخم من ذلك ــــ خلية اكسيد النحاس . اذ تؤكسد صفيحة ثقيلة من النحاس من احد وجهيها (( الاكسيد هو الاسم الكيميائى للصدا )) ، ثم ((يكحت)) بعض الاكيسد كما يزال الطلاء فى كميات متزايدة من احد طرفى الصفيحة الى الطرف الاخر ، ويكون لدينا بذلك تدريج ما بين طرفى الصفيحة من الاكسيد عند احد الطرفين الى النحاس النقى العارى عند الطرف الاخر . وعندها تسقط اشعة الشمس على مثل هذه الصفيحة النحاسية تتمزق الالكترونات من ذراتها ، ومن الاسهل عليها ان تتناسب ناحية النحاس النقى من طرفى الصفيحة عن ان تتجة الى الناحية الاخرى . وهكذا نحصل على سيل من الالكترونات اى ((تيار كهربائى)) .

وجميع الخلايا التى تحول الضوء الى كهرباء ليست ذات كفاءة طيبة كمنتجات للقوة . فاشعة الشمس التى تسقط على مثل هذا السطح المعامل باكسيد النحاس لا تنجح سوى 5% منها فقط فى شوط الالكترونات ، وتقدر الكفاءة الكلية بما لا يزيد عن نصف فى المائة فقط .