الطاقات المتجددة [الأرشيف] - Forum des Ingénieurs Maghrébins

المساعد الشخصي الرقمي

مشاهدة النسخة كاملة : الطاقات المتجددة


Abou_Ahmed
07-09-2011, 11:49 AM
بسم الله الرحمن الرحيم

الطاقات المتجددة

هناك اعتماد متزايد في العالم على الطاقات المتجددة renewable energies في تغطية جزء من الاحتياج العالمي للطاقة، وتخفيض الاعتماد على مصادر الطاقات التقليدية، التي تعتمد أساساً على النفط، وذلك بهدف حماية بيئة الأرض أولاً، وخفض كلفة إنتاج الطاقة ثانياً.
وأهم تطبيقات الطاقات المتجددة هي:
1ـ الطاقة الشمسية لتوليد الطاقة الكهربائية photovoltaic energy
http://www.arab-ency.com/servers/gallery/5370-11.jpg الشكل (1)

2ـ طاقة الرياح wind energy
3ـ الطاقة الشمسية الحرارية solar thermal energy
4ـ الطاقة المائية hydro-power
5ـ طاقة الكتلة الحيوية biomass energy
6ـ الطاقة الجيوحرارية geothermal energy
7ـ طاقة الأمواج wave energy
8ـ طاقة المد والجزر tide & ebb energy
1ـ الطاقة الشمسية لتوليد الطاقة الكهربائية:
http://www.arab-ency.com/servers/gallery/5370-13.jpg الشكل (2)

صُنعت أول خلية شمسية solar cell عام 1954، ومع تقدم برامج غزو الفضاء أصبحت الخلايا الشمسية المصدر الرئيسي لتوليد الطاقة الكهربائية في الفضاء، ولاسيما لتزويد الأقمار الصنعية بالطاقة الكهربائية اللازمة. وتتركز الأبحاث حالياً على تحسين مردود الخلايا ووثوقيتها والمردود وعلى خفض كلفة إنتاجها.
توسع استخدام هذه التقانة في العالم في العقد الماضي كثيراً؛ إذ قُدر مجموع الاستطاعة المركبة عام 2001 بـ 1780ميغاواط، ومن المتوقع أن تصل عام 2021 إلى 2070ميغاواط. في حين كانت عام 1991 لا تزيد على 313ميغاواط. علماً أن معظم الوحدات المركبة كانت وحدات مستقلة، ولكن هناك توجّه حالي يدعو إلى ربط الطاقة الناتجة بشبكة التغذية الكهربائية العامة.
يعتمد توليد الطاقة الكهربائية من الطاقة الشمسية على استخدام بلّورات من السليسيوم أو من النوع الشريطي القابل للطي ribbon، تُنمَّى في أفران خاصة، ثم تُصنّع شرائح منها وتُعطى الشكل والأبعاد المناسبة (مربعة أو مستطيلة أو دائرية). وغالباً ما تضم الخلايا بعضها إلى بعض على التسلسل أو على التفرع لتشكل ما يسمى باللوحات الفوتوفولطية.
مبدأ عمل الخلايا الشمسية:
تقوم الخلايا الشمسية بتحويل أشعة الشمس مباشرة إلى طاقة كهربائية ذات تيار مستمر جاهز للاستخدام أو لتخزينه في بطاريات لاستخدام لاحق. تستخدم الخلايا الشمسية لتزويد الحاسبات الشخصية بالطاقة الكهربائية اللازمة، كما تستخدم مجموعات منها لتغذية مجمَّعات صناعية أو سكنية (الشكل 1).

http://www.arab-ency.com/servers/gallery/5370-11.jpg
http://www.arab-ency.com/servers/gallery/5370-8.jpg الشكل (3)
http://www.arab-ency.com/servers/gallery/5370-3.jpg الشكل (4)
http://www.arab-ency.com/servers/gallery/5370-6.jpg الشكل (5)

تقدم أشعة الشمس استطاعة بحدود 1000واط لكل متر مربع وسطياً في المناطق القريبة من خط الاستواء عند الظهيرة، وهذه طاقة جاهزة للتحويل الكهربائي بمردود يراوح بين 10ـ12% حالياً؛ أي إن محطة توليد فوتوفولطية مساحتها 140كم×140كم يمكن أن توضع في منطقة مناسبة في الولايات المتحدة الأمريكية قادرة على توليد احتياجها من الطاقة الكهربائية والمقدرة بـ 2.5×1210كيلوواط ساعي سنوياً (الشكل 2).

http://www.arab-ency.com/servers/gallery/5370-13.jpg
تتألف الخلية الشمسية من مواد نصف ناقلة semiconductor، وغالباً ما يستخدم السليسيوم silicon، حيث توضع شوائب داخله مثل البور، أو الألمنيوم، أو الغاليوم، أو الإنديوم لتصنيع مواد نصف ناقلة من النوع p، وإذا أُقحمت شوائب مثل الفوسفور، أو الانتموان تتكوّن مواد نصف ناقلة من النوع n.
وعند لصق صفيحة نصف ناقلة نوع n بأخرى نوع p تتكوّن وصلة p-n (p-n junction) ولدى إعادة توزيع الشحنات السالبة والموجبة في الخلية الناتجة يتولد حقل كهربائي داخلي في الخلية، وذلك لأن تركيز الإلكترونات على طرف الوصلة n هو أكبر بكثير منه على الطرف p.
فإذا تعرضت الخلية الشمسية لضوء الشمس تحررت أزواج إلكترونات وثقوب في منطقة وجود الحقل الكهربائي الداخلي، فتنجرف الإلكترونات باتجاه معاكس للحقل، وتتحرك الثقوب باتجاه الحقل، ويمر تيار كهربائي في الدارة الخارجية الموصولة بالخلية.
يُجمّع عادة عدد من الخلايا الشمسية على التسلسل وعلى التوازي لزيادة الكمون والتيار الناتجين، كما توضع الخلايا المجمعة بين طبقة عليا من الزجاج وطبقة حاملة بلاستيكية مشكلة وحدة module، وعند تجميع عدد من الوحدات يُحصل على منظومة array (الشكل 3).

http://www.arab-ency.com/servers/gallery/5370-8.jpg
تستخدم الطاقة الكهربائية الناتجة إما لإضاءة المنازل أو لتشغيل إشارات المرور على الطرقات أو لتزويد وسائط الاتصال بالطاقة الكهربائية اللازمة، أو لتزويد القرى بالطاقة اللازمة لتشغيل مضخات المياه والخدمات الكهربائية الأخرى ولأغراض التبريد، أو لتغذية الشبكة الكهربائية بعد تحويل التيار المستمر الناتج إلى تيار متناوب. يشار أخيراً إلى وجود مشروعات لتطوير سيارات وطائرات صغيرة تعمل بالطاقة الفوتوفولطية (الشكل 4).


2ـ طاقة الرياح:
تؤلف طاقة الرياح أهم مصادر الطاقات المتجددة في العالم، ويمكن عدّها الجواب على ظاهرة ارتفاع درجة حرارة الجو وظاهرة الدفيئة greenhouse effect. بلغت الطاقة المولّدة بوساطة طاقة الرياح في العالم عام 2000 نحو 18449ميغاواط. ويظهر (الشكل 5) التزايد السنوي العالمي لتوليد الطاقة الكهربائية من طاقة الرياح. تُستخدم حالياً عنفات ريحية قادرة على توليد استطاعة بحدود 1 ميغاواط للعنفة الواحدة.

http://www.arab-ency.com/servers/gallery/5370-3.jpg
تتألف العنفة الريحية (الشكل 6) عادة من المكوِّنات الآتية:
http://www.arab-ency.com/servers/gallery/5370-2.jpghttp://www.arab-ency.com/servers/gallery/5370-6.jpg
ـ رِيَش العنفة والتي تكون عادة ذات مقطع مناسب لجريان الهواء، تصنع عادة من الألياف المركبة أو من صفائح من المعادن الخفيفة.
http://www.arab-ency.com/servers/gallery/5370-2.jpg الشكل (6)

ـ المحور الرئيسي وعلبة المسننات.
ـ المولدة الكهربائية.
ـ نظام التحكم والسيطرة والتوجيه الذي يتولى تحريك ريش العنفة وإعطاء الاتجاه المناسب عند تغير اتجاه الرياح.
ـ البرج الحامل للعنفة والذي قد يصل ارتفاعه إلى 50متراً.
ـ محولة كهرباء لربط التيار الناتج بالشبكة.
وهناك توجّه حديث لتطوير مولدات كهربائية يمكن ربطها مباشرة بمحور العنفة مما يلغي الحاجة إلى علب المسننات.
يُركب عادة عدد من العنفات الريحية في مواقع مناسبة ريحياً يحددها أطلس للرياح؛ إذ تفوق سرعة الرياح في معظم الأحيان 5م/ثا، وعندئذ يتم الحديث عن مزرعة ريحية. ويمكن أن تركَّب بعض هذه المزارع فوق سطح البحر.
3ـ الطاقة الشمسية الحرارية:
http://www.arab-ency.com/servers/gallery/5370-9.jpg الشكل (7)
http://www.arab-ency.com/servers/gallery/5370-5.jpg الشكل (8)

أصبح التسخين الشمسي للماء منافساً لتسخين الماء التقليدي بالوقود. يعتمد التسخين الحراري للماء على تعريض الماء الموجود في أنابيب نحاسية متوضعة داخل وعاء زجاجي محكم لأشعة الشمس، إذ ترتفع درجة حرارة الماء الموجود في الأنابيب، ونتيجة لذلك يتحرك خارجاً من هذه الأنابيب إلى خزان تجميع ويحل محلّه ماء بارد جديد. تبلغ الاستطاعة التي يمكن امتصاصها نحو 0.6كيلوواط لكل متر مربع.
وهناك إمكانية لتوليد الطاقة الكهربائية باستخدام الأثر الحراري للطاقة الشمسية، وذلك عن طريق تركيز الطاقة الشمسية على أنبوب يتوضع في بؤرة المجمّع حيث يقوم السائل الذي يملؤه بامتصاص الحرارة، ومن ثمّ ترتفع درجة حرارته، ويوجّه إلى مبادل حراري ومن ثَمّ إلى محطة توليد بخارية تقليدية.
4ـ الطاقة المائية:
تمثل الطاقة المائية المصدر الأكبر عالمياً للطاقة المتجددة من حيث الاستطاعة المركبة أو من حيث المردود العالي، كما أنها تعدّ أقدم أنواع الطاقات المتجددة.
تُولد الطاقة الكهربائية من الطاقة المائية عن طريق تخزين الماء في سدود، ويحتوي جدار السد عند قاعدته على فتحات يتم من خلالها تغذية عنفات مائية، تتولى تحويل الطاقة المائية الموجودة في الماء المار عبرها (طاقة ضغط وطاقة حركية) إلى طاقة ميكانيكية يتم إيصالها عبر محور العنفة إلى مولدة كهرباء، تحوّل هذه الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية (الشكل 7).
http://www.arab-ency.com/servers/gallery/5370-9.jpg

يشار إلى أن الطاقة المائية الكامنة في العالم هي بحدود 14370ترّا واط ساعي سنوياً، وهي كافية نظرياً لتغطية الاحتياج العالمي الحالي من الطاقة، في حين تبلغ الاستطاعة المنتجة حالياً بحدود 674ميغاواط.
http://www.arab-ency.com/servers/gallery/5370-7.jpg الشكل (9)

تتألف العنفة عموماً من المكوِّنات الرئيسة الآتية:
ـ أنبوب التوزيع الذي يتولى إيصال الماء من السد إلى العنفة.
ـ الحلزون ومهمته توزيع الماء على كامل محيط دولاب العنفة.
ـ رِيَش التوجيه التي تتولى التحكم بغزارة الماء الداخل إلى العنفة واتجاهه.
ـ دولاب العنفة الذي يتألف من عدد من الريش المنحنية التي تجبر الماء على تغيير كمية حركته أو اندفاعه مولداً قوى وعزوماً تطبق على دولاب العنفة مما يؤدي إلى تدوير الدولاب.
ـ محور العنفة الذي يربط بين دولاب العنفة والمولدة الكهربائية المتصلة به.
ـ المولدة الكهربائية التي يتم تدويرها بوساطة دولاب العنفة المتصل بها والتي تقوم بتوليد الطاقة الكهربائية.
ـ أنبوب الامتصاص الذي يتولى إيصال الماء الخارج من العنفة إلى حوض التجميع السفلي لخفض سرعته ورفع مردود العنفة.
ـ نظام تحكم وسيطرة يتولّى توجيه ريش التوجيه لتوفير الاستطاعة المطلوبة مع المحافظة على عدد دورات ثابت مع تغير تحميل المولدة ومن ثمّ العنفة.
5ـ طاقة الكتلة الحيوية:
http://www.arab-ency.com/servers/gallery/5370-10.jpg الشكل (10)
http://www.arab-ency.com/servers/gallery/5370-12.jpg الشكل (11)

تعرّف الكتلة الحيوية بأنها مجموع المنتجات الزراعية الأرضية، المائية والفضلات العضوية، والتي كانت تغطي احتياجات البشرية من الطاقة قبل انطلاق الثورة الصناعية. وهذا النوع من الطاقة مازال الأكثر شيوعاً في المجتمعات والدول الأقل نمواً، وهو يؤلف نحو 11% من الاستهلاك العالمي للطاقة.
يمكن استخدام هذه الموارد والفضلات لتوليد غاز قابل للاشتعال باستخدام وحدات بيولوجية مناسبة تتولى تخمير هذه الفضلات، ويمكن استخدام الغاز الناتج إما للتسخين أو كوقود لتوليد الطاقة الكهربائية.
كما أن هناك تقانات قادرة على توليد وقود سائل من هذه الفضلات ومن استخدام النباتات التي تحتوي على زيوت نباتية كما يظهر في الشكل (8).

http://www.arab-ency.com/servers/gallery/5370-5.jpg

6ـ الطاقة الجيوحرارية:
تستخدم هنا الطاقة الحرارية المختزنة في باطن الأرض لتسخين الماء أو لتسخين سائل آخر حتى يغدو بخاراً، ومن ثَمَّ يمكن استخدامه مصدراً حرارياً للأغراض المنزلية أو في الصناعة أو لتوليد الطاقة الكهربائية.
ويُضخ الماء عبر أنابيب إلى طبقات تحت سطح الأرض، حيث درجة الحرارة مرتفعة لقربها من الكتلة الساخنة في باطن الأرض. ترتفع درجة حرارة هذا السائل ويمكن أن تتحول إلى بخار، يمكن استخدامه في التدفئة المنزلية وفي الصناعة وفي توليد الطاقة الكهربائية بوساطة عنفات مناسبة (الشكل 9).

http://www.arab-ency.com/servers/gallery/5370-7.jpg
تتميز الطاقة الجيوحرارية عند توافرها برخصها ونظافتها البيئية بسبب عدم إطلاقها لغازات احتراق. وتقدر الاستطاعة التي توَّلد بهذه الطريقة بنحو 8000ميغاواط عام 2000. ويُظهر الشكل (10) المناطق المرشّحة لاستثمار الطاقة الجيوحرارية في العالم.
7ـ طاقة الأمواج:
http://www.arab-ency.com/servers/gallery/5370-4.jpg الشكل (12)
http://www.arab-ency.com/servers/gallery/5370-1.jpg الشكل (13)

هناك جهود لاستخدام طاقة الأمواج البحرية لتوليد طاقة ميكانيكية ومن ثمَّ كهربائية وذلك بتنفيذ عدد من المشروعات الاختبارية.
تعتمد هذه المشروعات على استخدام الأمواج لضغط الهواء الذي يقوم بتدوير عنفة، تتصل بمولد كهربائي لتوليد الطاقة الكهربائية. يظهر في الشكلين (11) و (12) نموذجان للاستفادة من طاقة الأمواج.

http://www.arab-ency.com/servers/gallery/5370-10.jpg
http://www.arab-ency.com/servers/gallery/5370-12.jpg
8ـ طاقة المد والجزر:
إن ظاهرة المد والجزر التي تتم عند ارتفاع منسوب المياه الساحلية وانخفاضه هي نتيجة لتأثير جاذبية القمر والشمس في مياه البحار. ويمكن أن يصل فرق منسوب سطح ماء البحر نتيجة لذلك حتى 11متراً. تُستخدم طاقة المد والجزر عن طريق حصر الماء المرتفع بسبب المد خلف سد بوساطة بوابات. وعند حدوث الجزر ينشأ فرق منسوب بين مستوى الماء خلف السد وأمامه، وتقوم عنفة في قعر جسم السد بتوليد الطاقة الكهربائية عند فتح بوابة الخروج، نتيجة تدفق الماء من السد إلى البحر (الشكل 13).
http://www.arab-ency.com/servers/gallery/5370-4.jpg

تعدّ فرنسا أول دولة تستخدم هذا النوع من الطاقة؛ إذ لديها محطة توليد باستطاعة 240ميغاواط، تعمل بنجاح منذ أكثر من ثلاثين عاماً. وقد شرع العديد من الدول منها روسيا والصين والولايات المتحدة الأمريكية باعتماد هذه الطريقة لتغطية جزء من احتياجاتها للطاقة.

http://www.arab-ency.com/servers/gallery/5370-1.jpg