تُعرف الطاقة البديلة بمصادر الطاقة البديلة للوقود الأحفوري ذات ضرر قليل على البيئة، وتعتمد بشكل أساسي على الموارد الطبيعية المُتجددة.
في هذا المقال سنتحدث عن أنظمة الطاقة البديلة المختلفة واستخداماتها، كما سنُركز على أساسيات الطاقة ووحداتها. هذا وبالإضافة إلى مبادئ الطاقة الشمسية الحرارية وتصميمها، ومبادئ طاقة الرياح والطاقة المائية، وسنسلط الضوء أيضًا على نواع الطاقة الكهروضوئية ومبادئها وأنواعها وتصميمها.
وبالنهاية سنقوم بشرح مبادئ خلايا الوقود وأنظمة تخزين الطاقة البديلة.
ما هي الطاقة؟
الطاقة هي القُدرة على الشغل ووحدة قياسها هي "جول" على اسم العالم الفيزيائي الإنجليزي جيمس بريسكوت جول وذلك تكريمًا له لمحاولاته في مجال الميكانيكا الحرارية، وفي نظام الوحدات الدولية الأساسية، والشُغل هو كمية الطاقة لتحريك جسم ما بقوة ما لمسافة ما. بينما القدرة هي مقدار الطاقة اللحظية التي نحتاجها في زمن ثانية واحدة ووحدة قياسها هي واط.
مُعظم القوانين المشتقة حول الطاقة تعتمد على قانون حفظ الطاقة: الطاقة لا تفنى ولا تُستحدث من العدم، ولكن يُمكن تحويلها من صورة لأُخرى.
اقرأ أيضًا: كيف تضع خطة عمل مشروع ناجحة؟
مصادر الطاقة البديلة
كما ذكرنا سابقًا أن الطاقة البديلة تعتمد بشكل أساسي على الموارد الطبيعية المُتجددة؛ لذا يُمكننا استنتاج أن مصادر الطاقة البديلة هي في الأساس موارد طبيعية.
الطاقة الشمسية الحرارية
تُصدر الشمس طاقة سببها التفاعل النووي، درجة الحرارة في الشمس تصل إلى 40 مليون كلفن في المنطقة الأساسية، وتنخفض إلى حوالي 5800 كلفن في المناطق الخارجية. تحتوي أشعة الشمس على أمواج مرئية، وأمواج تحت حمراء، وأمواج فوق بنفسجية، وتُعتبر الأشعة تحت الحمراء هي المسؤولة عن عملية التسخين.
تُستخدم الطاقة الشمسية الحرارية في التدفئة وتسخين المياه. فكما مُوضح في الصورة بالأسفل عدد من المرايا تعكس أشعة الشمس على ماسورة يجري بداخلها الماء. بسبب تركيز أشعة الشمس، تزداد حرارة الماء ويتحول إلى بخار مضغوط يُمكن الاستفادة منه في تحريك التوربينات وتوليد الطاقة الكهربائية.
زوايا الطاقة الشمسية
السمت هي الزاوية بين المتجه المسقط للشمس على الأرض والمتجه المرجعي؛ عادةً تكون في الاتجاه الشمالي. أما الارتفاع هو الزاوية ما بين مسقط الشمس على الأرض وموقع الشمس.
مجمعات الطاقة الشمسة
مجمع الطاقة الشمسية الحرارية هو مجمع لامتصاص أشعة الشمس. الهدف منه هو إنتاج حرارة مُفيدة من الطاقة الشمسية؛ تستخدم مُعظم مجمعات الطاقة الشمسية العاملة اليوم لإنتاج الماء الساخن.
تتكون مجمعات الطاقة الشمسية من لوح مسطح داكن لامتصاص الطاقة الشمسية وغطاء شفاف يسمح للطاقة الشمسية بالمرور. لا بد من استخدام سائل لنقل الحرارة (الهواء، مضاد التجمد، الماء). بعد ذلك يُغطى المجمع الشمسي بغطاء أو داعم لعزل الحرارة.
بعض أنظمة مجمع الطاقة الشمسية تستخدم خزانات ماء دافئ وأنابيب ماء تتحمل ضغط السائل العالي؛ وبالتالي تدفق الماء من الخزان يكون أعلى. وبعض الأنظمة تستخدم خزانات ماء دافئ وأنابيب ماء لا تتحمل ضغط السائل العالي؛ وبالتالي تدفق الماء من الخزان يكون أقل.
كيف تُستخدم الطاقة الشمسية في تقليل فاتورة الكهرباء؟
يتم تقليل فاتورة الكهرباء عن طريق تصميم أنظمة مجمع الطاقة الشمسية في البيوت. تعتمد هذه الأنظمة بشكل أساسي على تقدير قيمة صرف الماء الساخن داخل المنزل.
كيف تُحسب مساحة مجمع الطاقة الشمسية؟
تُحسب مساحة مجمع الطاقة الشمسية الحرارية اللازمة للبيوت عن طريق تحديد كمية الماء الساخن في اليوم المطلوبة؛ وبالتالي حساب الطاقة الحرارية اللازمة لتسخين الماء.
طاقة الرياح وتاريخها
طاقة الرياح هي من مصادر الطاقة البديلة وهي في الأساس من الموارد طبيعية. يتم استخدام طاقة الرياح في مهام متعددة مثل: دفع المراكب على سطح المياه، والري وضخ المياه، إلى جانب بعض التطبيقات الميكانيكة الأخرى وتُشير المراجع إلى أن الفرس هم أول من استخدم طاقة الرياح في طحن الحبوب.
تراجع استخدام طاقة الرياح بعد اختراع جيمس واط الآلة البخارية في نهاية القرن الثامن عشر. ولكن عاد الاهتمام بطاقة الرياح كأحد مصادر الطاقة النظيفة بعد أزمة الوقود في عام 1973 وظهور مشاكل بيئية ناتجة عن حرق البترول.
كيف تُخزن الطاقة؟
تُخزن الطاقة الكيميائية كهيدروجين أو عن طريق البطاريات. يُعرف الهيدروجين بأنه وقود المُستقبل، ويُستخدم لتخزين الطاقة لاحتوائه على طاقة عالية واحتراقه يحرر طاقة تُسمى القيمة الحرارية الدُنيا.
يُمكن الحصول على الهيدروجين عن طريق تحليل كيميائي حراري للوقود الأحفوري، وتُمثل هذه الطريق المصدر الرئيسي للهيدروجين وهذا له تأثير كملوث للبيئة والمناخ.
المصدر الثاني للهيدروجين هو التحليل الكهرومائي، ويعتبر هذا التحليل هو الأمثل لتخزين الطاقة الكهربائية عن مشاريع الطاقة البديلة. تعمل خلايا الوقود الهيدروجيني بطريقة مُشابهة للبطارية. باستثناء أنه بدلًا من الحاجة إلى إعادة شحن البطارية من خلال مصدر خارجي، فالهيدروجين يولد طاقة مباشرة.
تعرض منصة إدراك حاليًا دورة عن الطاقة البديلة بالتعاون مع جامعة الزيتونة الأردنية التعليمية، تُناقش الدورة مبادئ الطاقة الشمسية الحرارية وتصميمها و مبادئ طاقة الرياح والطاقة المائية والطاقة الكهروضوئية و مبادئ خلايا الوقود وأنظمة تخزين الطاقة البديلة.
شارك في الدورة من هُنا: دورة مُقدمة لأنظمة الطاقة البديلة
محمد أيمن - كاتب ومدوّن في إدراك
