الطاقة المتجددة - علوم متكاملة - أولي ثانوي - الترم الثاني

مقدمة

تخيل أنك تسير في أحد الأيام المشمسة، وتتمنى لو أنك تستطيع الاستفادة من هذه الطاقة المتجددة بشكل أفضل. أو ربما تلاحظ الرياح القوية في الخارج، وتفكر في كيفية تحويلها إلى طاقة. في هذا الدرس، سنتعرف على أنواع الطاقة المتجددة وكيفية استغلالها وتقييم تأثيرها على البيئة والمناخ. دعونا نستكشف هذه المصادر الطاقية الطبيعية وكيفية تحويلها إلى طاقة يمكننا استخدامها بشكل فعال.

مصادر الطاقة المتجددة

1. الطاقة الشمسية

الخلايا الشمسية: تتكون من أشباه موصلات تعمل على تحويل الطاقة الشمسية مباشرة إلى طاقة كهربائية. تُعتبر هذه الطريقة من الوسائل الحديثة التي تحافظ على البيئة وتقلل من التلوث الناتج عن استخدام الوقود الأحفوري في إنتاج الكهرباء.

عندما يسقط الضوء على سطح مادة شبه موصلة مثل السيليكون، فإن فوتونات الضوء تقوم بإزاحة الإلكترونات إلى أحد سطحيها، مما يُحدث فرق جهد بين السطحين، ويمكن أن يؤدي إلى إنتاج تيار كهربائي عند توصيله بدائرة خارجية.

كفاءة الخلايا الشمسية: يتم تحديد كفاءة الخلايا الشمسية بمقارنة الطاقة الكهربائية الناتجة بالطاقة الضوئية التي توفرها الشمس. عمليًا، لا توجد خلايا شمسية بكفاءة 100%، إذ تتأثر الكفاءة بعوامل مثل زاوية سقوط أشعة الشمس، وجود السحب، والعوامل البيئية مثل الرياح والأتربة والرطوبة.

حساب الطاقة الكهربائية المنتجة: $E = V \times I \times t$ حيث:

• $E$ الطاقة الكهربائية (بالجول)
• $V$ فرق الجهد الكهربائي (بالفولت)
• $I$ شدة التيار الكهربائي (بالأمبير)
• $t$ زمن مرور التيار الكهربائي (بالثواني)

حساب القدرة الكهربائية المنتجة: $P = V \times I$ حيث:

• $P$ القدرة الكهربائية (بالواط)

تمرين: إذا كانت خلية شمسية مثبتة على سطح منزل تعمل بكفاءة 20%، وكانت أشعة الشمس توفر 1000 W/m² من الطاقة الشمسية، فما هي كمية الطاقة الكهربائية التي تنتجها الخلية الشمسية لكل متر مربع؟ وإذا كانت مساحة الخلية 2m²، فما القدرة الكهربائية الكلية التي تنتجها الألواح؟

2. طاقة الرياح

تُعد طاقة الرياح من أهم مصادر الطاقة البديلة الصديقة للبيئة وتعتمد على تحويل طاقة الرياح إلى طاقة كهربائية نظيفة. يتم ذلك عن طريق توربينات الرياح التي تتكون من:

• شفرات أو مراوح ذات شكل انسيابي ومنحني.
• توربينات.
• مولدات كهربائية.

عندما يمر التيار الهوائي على وجهي الشفرات، ينشأ فرق في الضغط يؤدي إلى حركتها، والتي يتم نقلها عبر عمود التوربينات إلى المولدات الكهربائية، فتتحول الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية.

تمرين: لوح من الخلايا الضوئية ينتج فرق جهد كهربائي 10V ويمر به تيار شدته 0.5A عند غلق الدائرة الكهربائية. احسب القدرة الكهربائية التي ينتجها.

3. الطاقة الكهرومائية

تُستخدم السدود لتخزين المياه في خزان، مما يمنحها طاقة وضع. وعند فتح البوابات، يتدفق الماء إلى الأسفل، محركًا التوربينات المتصلة بالمولدات الكهربائية، والتي تقوم بتحويل الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية.

4. الطاقة الحيوية

تُنتج من المواد العضوية مثل النباتات والحيوانات، ويمكن تحويل هذه المواد إلى:

• وقود حيوي (مثل الإيثانول والبيوديزل).
• كهرباء (عبر حرقها في محطات توليد الطاقة).

مثال: يتم استخدام محاصيل مثل الذرة وقصب السكر لإنتاج الإيثانول، وهو وقود يُستخدم كبديل للبنزين. كما يمكن استخدام بقايا المحاصيل والمخلفات الزراعية لتحويلها إلى طاقة من خلال التخمير أو الحرق.

نشاط بحثي

1. ما تأثيرات الطاقة المتجددة على البيئة وتغير المناخ؟
2. كيف تعمل الخلايا الشمسية على تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء؟
3. ما الفرق في الانبعاثات الكربونية بين الطاقة المتجددة والوقود الأحفوري؟
4. كيف تساهم الطاقة المتجددة في تقليل تأثير الاحتباس الحراري وتغير المناخ؟
5. ما التحديات المحتملة لكل نوع من أنواع الطاقة المتجددة؟ وكيف يمكن إدارتها لتحقيق الاستدامة؟

اختر الإجابة الصحيحة

1. كيف تساهم الطاقة الشمسية في تقليل التلوث الكيميائي؟

   • أ) عن طريق تقليل استهلاك المياه
   • ب) عن طريق تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري ✅
   • ج) عن طريق زيادة انبعاثات ثاني أكسيد الكبريت
   • د) عن طريق تحسين نوعية الوقود

2. أي من المصادر التالية للطاقة المتجددة لا يُنتج انبعاثات ثاني أكسيد الكربون أثناء عملية توليد الطاقة؟

   • أ) الفحم
   • ب) الغاز الطبيعي
   • ج) طاقة الرياح ✅
   • د) النفط

3. كيف تساهم تقنيات الطاقة المتجددة في مكافحة تغير المناخ؟

   • أ) عن طريق زيادة انبعاثات الغازات الدفيئة
   • ب) عن طريق تقليل استهلاك الموارد الطبيعية
   • ج) عن طريق تقليل انبعاثات الغازات الدفيئة مثل ثاني أكسيد الكربون ✅
   • د) عن طريق زيادة التلوث الكيميائي في التربة