الدرس: 8-3-1 تكنولوجيا الطاقة الشمسية

1. لماذا تستخدم مصادر بديلة بالرغم من وجود مصادر أحفورية؟

• لمحدودية المصادر الأحفورية.
• المصادر الأحفورية تساهم في تلوث البيئة.
• المصادر الأحفورية في مرحلة النفاذ.

2. ما الفرق بين (لماذا يفضل استخدام الطاقة المتجددة على الطاقة غير المتجددة)؟

• لأنها طاقة لا تستنفذ.
• لأنها طاقة نظيفة (غير ملوثة).
• يمكن أن تكون متاحة محلياً خلافاً للوقود الأحفوري.
• قلة تكاليف انتاج الطاقة منها.

3. ما هي مصادر الطاقة المتجددة؟

• الطاقة الشمسية.
• طاقة الوقود الحيوي.
• طاقة الرياح
• طاقة المد والجزر.

4. ماذا تتميز الطاقة الشمسية؟

• سهولة توفرها في الكثير من بقاع العالم.
• خلوها من أي تأثيرات سلبية على البيئة.

5. ما هي أهم استعمالات الطاقة الشمسية؟

• تقنية توليد الكهرباء.
• تقنية التطبيقات الحرارية (تقنية تحلية المياه، تقنية تسخين المياه والتدفئة).

6. ما مبدأ عمل تكنولوجيا كان الخلايا الشمسية؟

يقوم بتحويل طاقة ضوء الشمس الى طاقة كهربائية.

7. ما نوع القدرة الكهربائية التي تجهزها الخلية الشمسية؟

تجهزنا بالقدرة المستمرة (تيار مستمر).

8. ما هي مكونات الخلية الشمسية أو كيف تصنع الخلية الشمسية؟

• طبقة عليا رقيقة من مواد شبه موصلة مثل السيليكون مضافاً إليه بعض الشوائب كالفسفور أو البورون بنسبة معينة تسمى نوع N توفر الإلكترونات.
• طبقة سفلى من السيليكون مشوب بالبورون تسمى نوع P يكتسب الإلكترونات.
• طبقة رقيقة جداً توضع على الخلية الشمسية لتمنع انعكاس الضوء
• لوح زجاجي يغطي الخلية الشمسية لحمايتها من التأثيرات الجوية.
• قطتان للتوصيل الخارجي بالدائرة الخارجية.

10. قارن بين البطارية الجافة والخلية الشمسية؟

11. ما المقصود باللوح الشمسي؟

اللوح الشمسي: هو عدد من الخلايا الشمسية مربوطة مع بعضها البعض على التوالي أو على التوازي حسب الاستخدام.

لماذا تربط اللواح الشمسية إلى التوالي مع بعضها البعض؟

لغرض زيادة الفولطية الناتجة من المنظومة.

12. لماذا تربط اللواح الشمسية على التوازي؟

لزيادة التيار الناتج.

13. كيف نشغل الأجهزة على اللوح الشمسي ونحن نعرف أن اللوح يعطي تيار مستمر والأجهزة تعمل التيار المتناوب؟

باستخدام جهاز يسمى العاكس يحول التيار المستمر إلى تيار متناوب.

14. عند شحن البطارية باستعمال الخلايا الشمسية، علام يعتمد زمن شحنها؟

• قدرة الألواح الشمسية.
• خلاياها أو عددها.
• مساحتها.

15. بماذا يتميز التيار والجهد الكهربائي (الفولط) التي يجهزها اللوح الشمسي؟

• التيار المستمر يولد قدرة كهربائية واطئة.
• الفولطية متغيرة تتغير مع مقاومة الحمل المستعمل مثل مصباح كهربائي يعمل بالتيار المستمر.

ملاحظات:

القدرة المستمرة = التيار × الفولطية.

$\mathbf{P}=\mathbf{I}\times \mathbf{V}$

القدرة الشمسية القادمة من الشمس (القدرة الداخلة) = شدة الإشعاع الشمسي الساقط x المساحة السطحية.

${\mathbf{P}}_1=\mathbf{E}\times \mathbf{A}$

حيث:

• E: شدة الاشعاع الشمسي الساقط
• A: المساحة السطحية للخلية الشمسية

16. ما المقصود كفاءة تحويل الطاقة للخلية الشمسية؟ ثم اذكر العلاقة الرياضية؟

كفاءة تحويل الخلية الشمسية: هي النسبة بين القدرة الخارجة إلى القدرة الداخلة إلى الخلية الشمسية.

كفاءة تحويل الطاقة للخلية الشمسية = $\frac{\mathrm{القدرة} \mathrm{الخارجة}}{\mathrm{القدرة} \mathrm{الداخلة}}\times 100\%$

$\eta =\frac{P_{\text{out }}}{P_{\text{in }}}\times 100\mathrm{\%}$

حيث:

• $\eta$: كفاءة تحويل الطاقة للخلية الشمسية.
• P_out: القدرة الخارجة نقاس بالواط (W).
• P_in: القدرة الداخلة تقاس بالواط (W).

16. على ماذا يعتمد معدل القدرة التي تولدها الخلية الشمسية؟

• عدد الخلايا.
• مساحة الخلايا.

17. على ماذا يعتمد معدل إنتاج الطاقة الكهربائية في الخلايا الشمسية؟

يتناسب معدل إنتاج الطاقة طردياً مع شدة الإشعاع الشمسي الساقط عليها وبحدود معينة.

18. ما المقصود بشدة الإشعاع الشمسي؟

شدة الإشعاع الشمسي: هو معدل الطاقة العظمى المستلمة في الثانية الواحدة لكل متر مربع على سطح الأرض وهو مقدار ثابت بحدود (1400w / m²).

19. إذا علمت أن أبعاد خلية شمسية (4cmx5cm) احسب القدرة المستلمة من قبل الخلية الشمسية (القدرة الداخلية) إذا كانت شدة الإشعاع الشمسي الساقط على الخلية تساوي 1400watt/m².

المساحة = Area

$\begin{array}{r}4\mathrm{cm}=\frac{4}{100}=0.04m,6\mathrm{cm}=\frac{6}{100}=0.06\mathrm{m},{\mathrm{P}}_{\mathrm{in}}=?\\ \\ \text{ Area }=0.04\times 0.06=0.0024{\mathrm{m}}^2\end{array}$

القدرة الشمسية القادمة من الشمس (القدرة الداخلة) = شدة الإشعاع الشمسي الساقط x المساحة السطحية.

$\begin{array}{r}{P}_{\text{in }}=E\times A\\ \\ P_{\text{in }}=1400\times 0.0024=3.36\text{ Watt }\end{array}$

20. خلية شمسية بشكل مربع أبعاده (0.2mx0.2m)، فإذا كان مقدار شدة الإشعاع الشمسي الساقط على الخلية 1400watt/m² وأن التيار المتولد من قبل الخلية الشمسية (0.16A) وبفرق جهد مقداره (12A) احسب كفاءة الخلية الشمسية لتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية؟

$\begin{array}{r}E=1400\mathrm{watt}/{\mathrm{m}}^2,I=0.16\mathrm{A},\mathrm{V}=12\mathrm{V} ,\eta =?\\ \\ \mathbf{A}=0.2\times 0.2=0.04{\mathrm{m}}^2\\ \\ {\mathbf{P}}_{\text{out }}=\mathbf{I}\times \mathrm{V}=0.16\times 12=1.92\mathrm{watt}\\ \\ {\mathbf{P}}_{\text{in }}=\mathbf{E}\times \mathbf{A}\\ \\ {\mathbf{P}}_{\text{in }}=1400\times 0.04=56\mathrm{watt}\\ \\ \eta =\frac{{\mathbf{P}}_{\text{out }}}{{\mathbf{P}}_{\text{in }}}\times 100\mathrm{\%}\\ \\ \eta =\frac{1.92}{56}\times 100\mathrm{\%}=\frac{192}{56}\mathrm{\%}=3.428\mathrm{\%}\end{array}$

21. إذا كانت كفاءة تحويل خلية شمسية هي 0.12 أي %12 وبمساحة سطحية للخلية الشمسية بحدود 0.01m² احسب القدرة الخارجة علماً أن مقدار شدة الإشعاع الشمسي الساقط على هذه الخلية يساوي 1400watt/m²

^{$\begin{array}{r}\eta =12\mathrm{\%},A=0.01{\mathrm{m}}^2,E=1400\text{ watt }/{\mathrm{m}}^2,P_{\text{out }}=?\\ \\ P_{\text{in }}=E\times A\\ \\ P_{\text{in }}=1400\times 0.01=14\text{ Watt }\\ \\ \eta =\frac{P_{\text{out }}}{P_{\text{in }}}\times 100\mathrm{\%}\\ \\ 12\mathrm{\%}=\frac{P_{\text{out }}}{14}\times 100\mathrm{\%}\\ \\ P_{\text{out }}\times 12=\frac{P_{\text{out }}\times 100}{14}\\ \\ P_{\text{out }}\times 100=168\end{array}$}

22. خلية شمسية بشكل مربع أبعاده (0.1mx0.1m فإذا كان مقدار شدة الإشعاع الشمسي الساقط على الخلية) يساوي 1400watt/m² وأن التيار المتولد من قبل الخلية الشمسية (0.2A) وبفرق جهد مقداره (10V)، احسب كفاءة الخلية الشمسية لتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية.

$\begin{array}{r}\mathrm{A}=0.1\times 0.1=0.01{\mathrm{m}}^2 ,\mathrm{E}=1400\text{ watt }/{\mathrm{m}}^{ 2 },\mathrm{I}=0.2\mathrm{A},\mathrm{V}=10\mathrm{V} ,\eta =?\\ \\ P_{\text{out }}=I\times V=0.2\times 10=2\text{ watt }\\ \\ P_{\text{in }}=\mathbf{E}\times \mathrm{A}\\ \\ {\mathrm{P}}_{\text{in }}=1400\times 0.01=14\mathrm{Watt}\\ \\ \eta =\frac{P_{\text{out }}}{P_{\text{in }}}\times 100\mathrm{\%}\\ \\ \eta =\frac{2}{14}\times 100\mathrm{\%}=\frac{200}{14}\mathrm{\%}=14.2\mathrm{\%}\end{array}$

23. خلية شمسية بمساحة سطحية (0.04m²)، فإذا كان مقدار شدة الإشعاع الشمسي الساقط على الخلية يساوي 1400watt/m² وإن التيار المتولد من قبل الخلية الشمسية (0.5A)، وبفرق جهد مقداره (10V)، احسب كفاءة الخلية الشمسية لتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية.

$\begin{array}{r}A=0.04{\mathrm{m}}^2,\mathbf{E}=1400\mathrm{watt}/{\mathrm{m}}^2,I=0.5\mathrm{A},\mathrm{V}=10\mathrm{V},\eta =\text{ ? }\\ \\ {\mathbf{P}}_{\text{out }}=\mathbf{I}\times \mathrm{V}=0.5\times 10=5\mathrm{watt}\\ \\ {\mathbf{P}}_{\text{in }}=\mathbf{E}\times \mathbf{A}\\ \\ {\mathbf{P}}_{\text{in }}=1400\times 0.04=56\mathrm{Watt}\\ \\ \eta =\frac{{\mathbf{P}}_{\text{out }}}{{\mathbf{P}}_{\text{in }}}\times 100\mathrm{\%}\\ \\ \eta =\frac{5}{\mathbf{56}}\times 100\mathrm{\%}=\frac{500}{56}\mathrm{\%}=8.9\mathrm{\%}\end{array}$

24. ما هي أهم التطبيقات الحرارية للطاقة الشمسية؟

• تكنولوجيا تسخين الماء والتدفئة (السخان الشمسي).
• تكنولوجيا تحلية المياه باستعمال الطاقة الشمسية.
• تكنولوجيا طاقة الرياح (الطاقة الهوائية).
• تكنولوجيا طاقة الوقود الحيوي.
• تكنولوجيا طاقة المد والجزر.

25. ما المقصود بالسخان الشمسي؟

السخان الشمسي: هو عبارة عن منظومة متكاملة تتكون من أجزاء عدة تستعمل في تجميع الاشعة الشمسية الساقطة واستثمار طاقتها الحرارية حيث يستفاد منها في تسخين المياه خلال فترة سطوع الشمس وكذلك في تدفئة المنازل والبيوت.

26. في صناعة منظومة السخان الشمسي تستخدم معادن غير قابلة للصدأ تطلي باللون الأسود. ما الغرض من ذلك الطلاء؟

الغرض امتصاص أكبر كمية ممكنة من الأشعة الشمسية.

27. ما هي اهم الوسائل المستعملة لتحلية المياه بالطاقة الشمسية؟

• الطريقة غير المباشرة لتحلية المياه بالطاقة الشمسية.
• الطريقة المباشرة لتحلية المياه بالطاقة الشمسية.

28. عدد بعض أنواع المنظومات السخان الشمسي؟

• منظومات تستعمل فيها معادن غير قابلة للصدأ من اكاسيد الكروم والكوبلت تكون مطلية باللون الأسود.
• منظومات تستعمل فيها المرايا بشكل قطع مكافئ للحصول على حرارة التسخين.

29. اشرح الطريقة غير المباشرة لتحلية المياه بالطاقة الشمسية؟

تعتمد هذه الطريقة على توفير الطاقة اللازمة لوحدات التحلية وتشغيلها باستعمال الخلايا الشمسية إذ بواسطتها يمكن الحصول على طاقة حرارية أو طاقة كهربائية او ميكانيكية.

30. اشرح الطريقة المباشرة لتحلية المياه بالطاقة الشمسية؟

تستعمل أشعة الشمس كمصدر حراري لرفع درجة حرارة الماء غير النقي ومن ثم تبخيره وتحويله إلى ماء نقي باستعمال المقطر الشمسي.