معرض الصور والأشكال

شكل ١: كثافة قدرة الطيف للإشعاع الشمسي: المنحنى العلوي: الطيف الشمسي خارج الغلاف الجوي مباشرة. يساوي إجمالي القدرة 1.366kW/m². المنحنى المعبأ باللون الأصفر: الطيف الشمسي المعياري على سطح الأرض، المُستخدَم لتقييم أداء الخلايا الشمسية. تعني كتلة الهواء 1.5 كتلة الهواء عند زاوية تصل إلى نحو 37 درجة من الخط الأفقي في يوم صافٍ. وإجمالي كثافة القدرة تساوي 1.0kW/m². انظر الفصل الخامس للحصول على التفاصيل. والمنحنى المتقطع يمثل طيف الإشعاع الشمسي في موقع الأرض باعتبار الشمس مشعًّا أسود بدرجة حرارة 5800K. كما هو واضح، يتطابق الطيف الشمسي خارج الغلاف الجوي مباشرة، طيف كتلة الهواء صفر، مع طيف إشعاع الجسم الأسود عند درجة حرارة 5800K، الذي تخففه المسافة التي بين الشمس والأرض. وتظهر علاقة ذلك برؤية الإنسان للطيف اللوني في الشريط السفلي. كما هو واضح، نحو نصف قدرة الإشعاع الشمسي يوجد في النطاق المرئي. انظر الفصل الثاني والثالث والخامس. (مصدر بيانات الطيف الشمسي: الجمعية الأمريكية للاختبار والمواد.)

شكل ٢: الحركة الظاهرية للشمس: بتثبيت كاميرا باتجاه السماء الجنوبية (في نصف الكرة الشمالي)، وأخذ صورة واحدة في نفس الوقت كلَّ يومٍ لمدة عام، ثم تجميع صور الأيام المشمسة معًا، سيظهر نمط على شكل رقم 8، يُطلق عليه «مخطط الميل» أو «الأنالِمَّة». وهو نتيجة مجمعة لمعادلة الوقت واختلاف الميل؛ ارجع إلى الفصل الرابع – قسم (٤). وملحق الصور الشكل ٢ جمعه الفلكي اليوناني أنتوني أيوماميتيس من 47 صورة فوتوغرافية لليوم الصافي مأخوذة في عام 2003 قرب معبد أبوللو، مدينة كورنث، اليونان. إن أبوللو هو إله الشمس في الأساطير الإغريقية، كما أنه إله النور والحقيقة والموسيقى والشعر والفنون. الصورة معروضة بإذن من أنتوني أيوماميتيس.

شكل ٣: خريطة التشميس الخاصة بالعالم. متوسط الإشعاع الشمسي اليومي على سطح قدره 1m² ﺑ kJ على مدار عام. كما هو واضح، مساحات كبيرة في شمال أفريقيا يوجد بها معدل التشميس الأعلى. المصدر: www.bpsolar.com.

شكل ٤: خريطة التشميس الخاصة بالولايات المتحدة الأمريكية: متوسط الإشعاع الشمسي اليومي على سطح قدره 1m² ﺑ kJ على مدار عام. كما هو واضح، مساحات كبيرة في الولايات الجنوبية الغربية يوجد بها معدل التشميس الأعلى. ويوجد بالمناطق المحيطة بالبحيرات الكبرى وولاية واشنطن تشميس ضعيف بسبب الغيوم. المصدر: المختبر الوطني للطاقة المتجددة.

شكل ٥: خريطة التشميس الخاصة بأوروبا: الإشعاع الشمسي الإجمالي على سطح قدره 1m² ﺑ kJ على مدار عام. لاحظ أن تعريف التشميس في هذه الخريطة مختلف عن الخريطتين السابقتين. من الواضح أن معدل التشميس الإجمالي في سنة شمسية يساوي 365.25 مرة معدل التشميس اليومي المتوسط. كما هو واضح، معدل التشميس في الأجزاء الجنوبية من البرتغال وإسبانيا وإيطاليا هو الأعلى في أوروبا. ويكون التشميس في ألمانيا أضعف بكثير من تلك المناطق. ويكون معدل التشميس ضعيفًا جدًّا في الأجزاء الشمالية من النرويج وفنلندا. المصدر: مركز البحوث المشتركة التابع للمفوضية الأوروبية، 2006.

شكل ٦: خلايا شمسية مصنوعة من السيليكون البلوري ذات آلية تتبع أحادية المحور: محطة نيليس للطاقة الشمسية، الموجودة داخل قاعدة نيليس للقوات الجوية في مقاطعة كلارك، بنيفادا، سعتها 14MW تقريبًا. ويمكن أن يزيد نظام تتبع شمسي أحادي المحور بسيط من قدرة الخرج بمقدار 60 بالمائة مقارنةً بنظام التوجيه الثابت القياسي؛ انظر الفصل الرابع – قسم (٣-٤). الصورة معروضة بإذن من القوات الجوية الأمريكية.

شكل ٧: حقل شمسي ذو سعة كبيرة مكون من خلايا شمسية ذات أفلام رفيعة مصنعة من سيلينيد جاليوم إنديوم النحاس: تستخدم الخلايا الشمسية ذات الأفلام الرفيعة مواد شبه موصلة أرفع كثيرًا من الخلايا الشمسية البلورية؛ ومن ثَم يمكن أن تكون التكلفة لكل واط أقل بكثير. انظر الفصل التاسع – قسم (٦). يظهر هنا نظام ألواح شمسية مصنعة من سيلينيد جاليوم إنديوم النحاس سعته 750KW. وهذا النظام موجود في توسان، أريزونا، ومن تصنيع شركة نانو سولر. الصورة معروضة بإذن من شركة نانو سولر المحدودة.

شكل ٨: كفاءة الخلايا الشمسية. المصدر: المختبر الوطني الأمريكي للطاقة المتجددة. 7 نوفمبر، 2007.

شكل ٩: النظام الشمسي الطبقي المزود بمحرك ستيرلنج: ضرب النظام الشمسي، المزود بمحرك ستيرلنج الذي طورته مختبرات سانديا الوطنية وشركة ستيرلنج لنظم الطاقة في فبراير عام 2008، رقمًا قياسيًّا بتحقيقه لأعلى كفاءة في تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء موصلة بالشبكة وقدرها 31.25 بالمائة. ويولد الطبق الشمسي الكهرباء بتركيز الإشعاع القادم من الشمس على جهاز استقبال ينقل الطاقة الحرارية إلى محرك ستيرلنج المملوء بالهيدروجين. ويعمل هذا المحرك على أفضل نحو في الطقس البارد ولكن المشمس. انظر الفصل الحادي عشر – قسم (٤). الصورة معروضة بإذن من مختبرات سانديا الوطنية.

شكل ١٠: تركيب مجمع شمسي ذي حوض قطع مكافئ: إن محور أحواض القطع المكافئ جنوبية-شمالية، وتحول آلية تتبع تلك الأحواض من الشرق للغرب يوميًّا. ويُركز الإشعاع الشمسي على المجمعات الحرارية ذات الأنابيب المفرغة. وتُسخن المجمعات الزيت الاصطناعي لدرجة حرارة 400 درجة مئوية، مما يولد بخارًا فائق الحرارة لدفع التوربينات البخارية. وأعلى كفاءة سجلها هذا النظام هي 20 بالمائة. انظر الفصل الحادي عشر – قسم (٤).

شكل ١١: مركزات ذات حوض قطع مكافئ في كرامر جنكشن، كاليفورنيا: هذا النظام، الذي يُدعى «نظام توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية» موجود في كرامر جنكشن بصحراء موهافي بكاليفورنيا، منذ عام 1984. وهو يُعد أكبر مولد للكهرباء من الشمس في العالم. وسعته الإجمالية 354MW. انظر الفصل الحادي عشر – قسم (٤).

شكل ١٢: أنواع مختلفة للمجمعات الحرارية الشمسية ذات الأنابيب المفرغة: حاليًّا، تُعد المجمعات الحرارية الشمسية ذات الأنابيب المفرغة أكثر أنواع المجمعات الحرارية الشمسية استخدامًا. وهي تستخدم طلاءات انتقائية لتحقيق أقصى امتصاص لضوء الشمس، مع أقل فقد للحرارة عن طريق الإشعاع. ويُعد الفراغ بين الأنبوب الخارجي والعنصر المُسخن عازلًا حراريًّا شبه مثالي. واعتمادًا على طريقة الانتقال الحراري المستخدمة، هناك عدة أنواع من هذه المجمعات. فتسمح المجمعات الحرارية المعتمدة على طريقة التدفق المباشر للماء بالتدفق عن طريق الحمل الحراري إلى الأنابيب. وتستخدم المجمعات الحرارية المعتمدة على طريقة الثعب الحراري آلية مبتكرة للتغير الطوري لنقل الحرارة بكفاءة عالية جدًّا ومنعها من الرجوع ثانيةً إلى الأنبوب (تأثير الصمام الثنائي الحراري). انظر الفصل الحادي عشر – قسم (٢). تلك الصورة التقطها المؤلف وهي معروضة بإذن معهد أبحاث الطاقة الشمسية ببكين.

شكل ١٣: مصنع أوتوماتيكي بالكامل لتصنيع الأنابيب المفرغة. الصورة العلوية: ماكينة تفريغ أوتوماتيكي. الصورة السفلية: خط نقل أوتوماتيكي. يُنتِج هذا المصنع 20 مليون أنبوب مفرغ سنويًّا. الصورتان معروضتان بإذن من مجموعة هيمين للطاقة الشمسية، ديزو، الصين.

شكل ١٤: سخانات ماء شمسية «داي آند نايت» مصنعة ومركبة في عشرينيات القرن العشرين في ميامي: يمكن أن تبقى سخانات الماء الشمسية (انظر الأقسام 1-5-1 و11-2 و11-3) لفترة طويلة جدًّا. في عشرينيات القرن العشرين، رُكب نحو 40 ألف سخان من نوع «داي آند نايت» في فلوريدا. وبعد 80 عامًا من العمل في ظروف طقس شديدة، ما زال الآلاف منها يعمل على نحو جيد حتى اليوم. ويكمن السر في بساطة تصميمها والغياب الكامل للأجزاء المتحركة. هذه الصورة التقطها المؤلف في أغسطس عام 2010، ميامي.

شكل ١٥: مبنى مقام وفقًا لمقتضيات الطاقة الشمسية: صَممت وبنت مجموعة هيمين للطاقة الشمسية هذا المبنى على مساحة 75000m² (800000ft²) في ديزو، مقاطعة شاندونج، الصين، كمقر لمؤتمر المدينة الشمسية الدولية لعام 2010. وهو يحصل على أكثر من 60 بالمائة من طاقته من خلال الأجهزة الشمسية. الصورتان معروضتان بإذن من مجموعة هيمين للطاقة الشمسية، ديزو، الصين.

شكل ١٦: منزل تجريبي مقام وفقًا لمقتضيات الطاقة الشمسية: كما أكد ستيفين تشو، على نحو متكرر، أن تصميم المباني على نحو أفضل بحيث تستفيد من الطاقة الشمسية، مع بعض الاستثمار الإضافي، يمكنه تحقيق قدر هائل من التوفير في الطاقة. يظهر هنا منزل تجريبي لأسرة واحدة صممه المؤلف. إنه منزل متوسط الحجم على الطراز الاستعماري المشتمل على صالة كبيرة، وهو نمط بناء شائع في الولايات المتحدة. لكن التخطيط وتصميم السقف وأماكن النوافذ موضوعة بحيث تستفيد على نحو كبير من الطاقة الشمسية. ففي يوم مشمس في الشتاء، يدفئ ضوء الشمس الداخل عبر النوافذ الكبيرة المواجهة للجنوب كل الغرف التي غالبًا ما تكون مشغولة بحيث يجعل الثرموستات الخاص بالتدفئة بالغاز الطبيعي تقريبًا لا يعمل. وفي الصيف، تُغذِّي الألواح الشمسية الموجودة على السقف نظامين مركزيين لتكييف الهواء بالطاقة لتبريد المنزل بالكامل. وتقلل مروحة علية تعمل بالطاقة الشمسية (وهي موجودة بأعلى السقف، لكن لا تظهر هنا) أكثر حمل التبريد. كما أن الجدران معزولة جيدًا وكل النوافذ ثنائية اللوح ومحكمة السد ومملوءة بالأرجون. انظر الفصل الثالث عشر – قسم (٣). هذه الصورة التقطها المؤلف.

شكل ١٧: انفجار منصة الحفر ديب ووتر هورايزن: مع استنفاد حقول النفط الأرضية في الولايات المتحدة الأمريكية، يتجه استكشاف النفط إلى المياه العميقة. وتكلفة الحفر هناك تزيد على نحو هائل، كما أن التكلفة البيئية أكثر فداحة. وأحد الأمثلة على التكلفة الهندسية والبيئية هي تسرب النفط الذي حدث مؤخرًا في خليج المكسيك. ففي 20 أبريل من عام 2010، انفجرت منصة الحفر ديب ووتر هورايزن، الموجودة على بعد نحو 40 كيلومتر جنوب شرق ساحل ولاية لويزيانا في حقل النفط المحتمل ماكوندو، مما أسفر عن مقتل 11 عاملًا وجرح 17 آخرين. وتسبب الحادث في حرق وغرق المنصة. وتسرب ما يقرب من 4.9 ملايين برميل (780000m³) من النفط الخام إلى ماء خليج المكسيك. وتُعد هذه الكارثة الآن أكبر كارثة بيئية في تاريخ الولايات المتحدة الأمريكية. وقد أضر تسرب النفط بشدة ببيئة خليج المكسيك وأثر على نحو كبير على الصيد والسياحة في الولايات الأمريكية المطلة عليه. وقد كلف الحادث شركة بريتش بتروليوم ما يزيد عن 32 مليار دولار من أجل مواجهة التسرب. ولضمان سلامة استكشاف البترول في المياه العميقة، ستصبح التكلفة الهندسية عالية جدًّا. هذه الصورة معروضة بإذن من حرس الشواطئ الأمريكي.

شكل ١٨: تشرنوبل: بعد ربع قرن. في 26 أبريل عام 1986، وبسبب عيوب تصميمية وأخطاء بشرية، انفجر المفاعل رقم 4 لمحطة تشرنوبل النووية الموجودة بالقرب من مدينة بريبيات، أوكرانيا، الاتحاد السوفيتي السابق. وانتشرت المادة المشعة عبر مساحة شاسعة من أوروبا. وبالقرب من المحطة، كان مستوى الإشعاع عاليًا جدًّا لدرجة أنه كان يجب الهجر الكامل لمنطقة مساحتها 2800km² في بيلاروسيا وأوكرانيا وروسيا. وقد أضر الحادث بشدة الاقتصاد السوفيتي. وحتى وقت قريب، كان هذا الحادث هو الوحيد الذي في المستوى السابع (أي، حادث رئيسي) على المقياس الدولي للحوادث النووية، لكن في 11 مارس عام 2011، دمر تسونامي عدة مفاعلات نووية في محطة فوكوشيما دايتشي النووية في اليابان، مما أدى إلى تسرب كمية كبيرة من المواد المشعة. وفي 11 أبريل من العام نفسه، رفعت السلطات اليابانية مستوى الحادث للمستوى السابع، وتوقعت أن يقترب إجمالي الغبار الإشعاعي من ذلك الخاص بكارثة تشرنوبل أو حتى يزيد عنه. مصدر الخريطة: «كتاب حقائق العالم»، وكالة الاستخبارات الأمريكية.