البرج الشمسي في معهد وايزمان في رحوبوت

همة تنور علمي

البرج الشمسي في معهد وايزمان في رحوبوت

أحد الحلول المقترحة في إطار البحث عن مصادر طاقة بديلة، هو استغلال الطاقة الشمسية. إحدى  هذه الطرق هي استغلال الطاقة الشمسية بواسطة البرج الشمسي.

البرج الشمسي هو منشأةيهدف إلىتجميع أشعة الشمس من مساحة واسعة جدًا بواسطة عد كبير من المرايا التي تركِّز  ضوء الشمس وتعكسه إلى برج مركزي. في هذا البرج، يمكن تحويل أشعة الشمس المركَّزة إلى نوع آخر من الطاقة.  البرج الشمسي (الذي يُستخدم لأهداف البحث فقط) موجود في معهد وايزمان في رحوبوت،  حيث يوجد بجانبه حقل مرايا كما يظهر في الصورة:

حقل المرايا ( انظروا الرسمة والصورة اعلاه) مكون من أجهزة نسمِّيهاهيليوستاتية.  كل هيليوستات (انظروا الصورة أدناه) يحتوي على مرايا (موجّهةإلى الأرض، لأجل حمايتها عندما لا نستعملها)، عمود تثبيت ومحركات. وظيفة كل هيليوستاتأن يتابع بصورة مستقلة موقع الشمس بواسطة نظام مراقبة محوسب، وأن يوجِّه الأشعة إلى مختبرات في برج المراقبة. المساحة الكلية للمرايا حوالي 3,500 متر مربع.

مبنى الهيليوستات

في البرج الشمسي، يمكن أن نستغل أشعة الشمس المركَّزة  لإنتاج الكهرباء، لأننا نستطيع الحصول على درجات حرارة عالية.إحدى الطرق هيتسخين هواء  مضغوط بواسطة أشعة الشمس إلى درجة حرارةمقدارها 1400 درجة مئوية، في جهاز خاص، هذا الجهاز موجود في فراغ معزول عن البيئة المحيطة لتقليل فقدان الحرارة.يُضخ الهواء المضغوط إلى داخل توربينا تدوِّر مولدًا لاستخراج الطاقة الكهربائية.

قارنوا (أوجه الشبه والاختلاف) بين هذا النظام وبين محطات حرارية-كهربائية تعمل بواسطة الوقود الاحفوري (مثل: النفط، الفحم الحجري،أو الغاز الطبيعي).

السؤال 2

يهدف أحد الأبحاث الذي يتم في البرج الشمسي، في معهد وايزمان، إلىإيجاد وقود بديل (للوقود الاحفوري) لا يلوث البيئة البيئة.

أحد الاقتراحات هو استخدام الهيدروجين كوقود. تظهر العمليةالكيميائية في الصيغة الآتية:

2H₂ + O₂ ---> 2H₂O

في هذا التفاعل، تنطلق طاقة كبيرة نسبيًا, (كمية الطاقة المنطلقة من حرق 1 كغم هيدروجين أكبرﺒ3 أاضعاف من الطاقة المنطلقة من حرق 1 كغم بنزين)، وهذا يعني أن الهيدروجين يمكنأن يكون وقودًا مجديًا.

لذا يجب استخلاص الهيدروجين.يمكنأن نستخلص الهيدروجين من خلال فك الروابط بين الهيدروجين والأوكسجين بعملية عكسية للعملية المقترحة، لكينستخدم الهيدروجين كوقود. هذا التحليل يحتاج إلى كمية كبيرة من الطاقة .

أحد اهداف الأبحاث التي تتم في البرج الشمسي،  هوإيجاد طرق لاستغلال الطاقة الشمسية المركزة في البرج الشمسي لهذا الغرض.

اشيروا إلى العبارات الصحيحة من بين العبارات الآتية التي تدعم استمرار استثمار هذا البحث:

أ‌.         نظام تزويد الطاقة بواسطة الهيدروجين هو نظام صديق للبيئة المحيطة. تبدأ العملية بالماء وتنتهي بالماء دون الحصول على نواتج مرافقة.

ب‌.     الهيدروجين هو مادة قابلة للاشتعال، وتفاعله مع الأوكسجين يؤدي إلى انفجار.

ت‌.     ينطلق غاز الهيدروجين من تفكيك الماء، يمكن نقله في أنابيب أو خزانات إلى كل مكان.

السؤال 3

يدعي عمادأن قصة استخدام الهيدروجين كمصدر للطاقة هي غير ممكنة،لأننا ننفِّذ نفس العملية باتجاهين: في البداية، نبذل  طاقة لتفكييك الماء للحصول على هيدروجين، ثم نستخدم الهيدروجين والأوكسجين للحصول على طاقة ونحصل على الماء مرة أخرى من جديد. ادعى عمادبأنه وفقًا لقانون حفظ الطاقة، لا يمكن إنتاج طاقة من العدم. لذلك لا نربح طاقة في هذه العملية وغير مجدي تنفيذها.

هل ادعاء عماد صحيح؟ نعم/لا اشرحوا.

السؤال 4

قدرة أشعة الشمس الساقطة  في ساعات الظهيرة (الأشعة تكون عمودية على سطح الأرض تقريبًا) على متر مربع واحد هي  كيلواط واحد تقريبًا (1000 واط يساوي 1000 جول في الثانية)، افرضوا أن نجاعة النظام %50 (هذا يعنينسبة استيعاب البرج الشمسي للأشعة وتحويلهاإلى حرارة). احسبوا كمية الطاقة الكلية التي يمكن أن نستغلها خلال ساعة (3,600 ثانية) في ساعات الظهيرة بواسطة البرج الشمسي في معهد وايزمان. استخدموا المعطيات العددية في القطعة الأولى، وأشيروا إلى الإجابة الصحيحة:

           أ. 6,300,000,000جول.

           ب. 3,500جول.

           ت. 1,750,000جول.

           ث. 12,600,000,000جول.

           ج. 3,600جول.

السؤال الخامس

تفكر حكومة اسرائيل في اقتراح إقامة برج شمسي لاستخراج الطاقة. إنّه مشروع كبير جدًا، يحتاج إلى مبالغ طائلة وتكلفة استخراج الطاقة بهذه العملية عالية جدًابالمقارنة مع استخراج الطاقة من حرق الوقود الاحفوري ( نفط، غاز طبيعي الخ).

هل من الأفضل، بحسب رأيكم، أن نستثمر نقودًا في الابحاث والتطوير التكنولوجي  لاستخراج الطاقة بواسطة البرج الشمسي؟ أشيروا بجانب كل جملةـ موافق/لا اوافق:

أ. غير مجدي، يجب إيجاد طرق أبسط وأرخص لاستخراج الطاقة	موافق / لا اوافق
ب. غير مجدي، لأن هذه التكنولوجيا التي تزوِّدنا "بطاقة نظيفة" (دون انبعاث ملوثات)تكلفتها عالية جدًا.	موافق / لا اوافق
ت. غير مجدي، لأن هذه التكنولوجيا تناسب مناطق سهلية مفتوحة في الصحاري، ولا تناسب مناطق مأهولة بالسكان.	موافق / لا اوافق
ث-مجدي، لأن المخزون العالمي للوقود الاحفوري سينفّذ، هناك حاجة لبدائل والبرج الشمسي بديل جيد.	موافق / لا اوافق
ج-غير مجدي، لأن كمية الطاقة  الكهربائية التي نحصل عليها من البرج الشمسي لا تكفي لمدينة كبيرة.	موافق / لا اوافق
ح-مجدي، لأن الشمس تزوِّدنا بطاقة لسنوات طويلة.	موافق / لا اوافق

دليل مفصل للمهمة- البرج الشمسي في معهد وازمان في رحوبوت

مواضيع المنهج التعليمي: الطاقة والتأثير المتبادل- أنواع الطاقة وتحولات الطاقة.

السياق:موارد طبيعية وجودة البيئة المحيطة من وجهة نظر اجتماعية وعالمية

مصدر:  ""الطاقة من وجهة نظر متعددة المجالات" معهد وايزمان:

http://stwww.weizmann.ac.il/energy/EnergySources/Solar/SolarTower/FSolarTower1.htm

مصادر ااضافية:

• بن تسوك، (2002)، حفظ الطاقة، قسم تدريس العلوم معهد وايزمان.
• اورعاد، (2001)، عالم من الطاقة,،مركز تخطيط وتطوير المناهج التعليمية والجامعة العبرية، إصدار معلوت (الفصول: أ، ج، ط – ي أ).

مواقع في موضوع الطاقة:

• موقع "مصادر طاقة بديلة "شبكة اورط:

http://space.ort.org.il/energy/

• موقع شبكة عمال:

http://www.amalnet.k12.il/meida/energy/

التصور الفكري:

تبحث المهمة الموضوع الذي يناقشهالجمهور وهو استخدام الوقود الاحفوري وتأثيراته على البيئة المحيطة.

من خلالمهمة البرج الشمسي، يمكنأن نُبرز الفروق بين مصادر الطاقة الاحفورية ( المتناقصةغير المتجددة) وبين المصادر المتجددة. ومن خلال هذه المهمة يمكنأن نثبت، كيف تساعد التكنولوجيا بالتغلب على صعوبات، مثل: تركيز اشعة الشمس.

تحتاج هذه المهمة إلىالتدريس خارج الصف، زيارة البرج الشمسي في معهد وايزمان. في مكان مرتفع بجانب البرج الشمسي هناك منصة مراقبة لمشاهدة المرايا والبرج ويمكن أن نسمع شرحًا مسجلاً عن البرج الشمسي. زيارة حديقة العلوم بجانب البرج الشمسي تمكننا من تشغيل نموذج مصغر لحقل المرايا. بمساعدة المرايا،يمكنأن نوجِّه الأشعة إلى جهاز الذي يبيِّن كيف ترتفع درجة الحرارة كلما وجهنا  إليها أكثر اشعة.

الدمج في التدريس:

في الصف التاسع: في مواضيع مصادر الطاقة، الطاقة، تحولات الطاقة والقدرة

معلومات عامة:

البرج الشمسي في معهد وايزمان،  ارتفاعه 54 مترًا ويشتمل على 4 مختبرات فتحاتهموجَّهة نحو حقل المرايا، في كل مختبر، تتم  أبحاث مختلفة لإيجاد طرق مفيدة لاستغلال الطاقة الشمسية. في فتحة كل مختبر، يوجد جهاز يركِّز الأشعة التي جُمعت بواسطة حقل المرايا في منطقة صغيرة. في المختبر، نقوم بتسخين مواد مختلفة إلى درجات  حرارة عالية جدًا.

ما هي حسنات استخدام البرج الشمسي؟

·         مصدر طاقة غير ملوث للبيئة المحيطة، لا يوجد تلويث للهواء، لأنه لا تتم عملية احتراق، يتم "تجميع" أشعة الشمس فقط،  ولا يوجد ضجيج.

·         مصدر طاقة متوفر ومتجدد ( لا يتناقص، متجدد)،غير متعلق بتزويد الوقود الاحفوري الذي كميته تتناقص باستمرار.

·         يمكِّننا من الحصول على درجات حرارة عالية جدًا، حواليآلاف الدرجات المئوية.

·         نجاعة عاليةفي تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة متوافرة.

ما هي سيئات استخدام البرج الشمسي؟

• الطاقة الشمسية قابلة للاستغلال المحلي فقط، في الأماكن التي تتوفر فيها أشعة الشمس بكميات كبيرة.
• يجب الحفاظ على مرايا الهليوستات  من الإصابات وتنظيفها من الغبار والأوساخ.
• تكلفة بناء المنشأة عالية.
• نحتاج إلى مساحات كبيرةلبناء حقل المرايا.
• التقنيات المستخدمة في استغلال الطاقة الشمسية غير متطورة بما فيه الكفاية حتى الآن (الموضوع قيد البحث).
• ما هي تطبيقات البرج الشمسي؟
• في البرج الشمسي،يمكن استخراج الطاقة الكهربائية بواسطة توربينات ومولدات( تسخين مباشر للهواء).
• في البرج الشمسي، يمكن تحليل الماء أو الميثان للحصول على هيدروجين لخلايا الوقود.
• تمّإجراء تجارب لتحويل طاقة الأشعة الشمسيةإلى أشعة الليزر التي يمكن أرسالها إلى مسافات بعيدة على شكل حزم مركَّزة. (استخدمت طاقة أشعة الشمس للضخ الضوئي للحيز الفعَّال في الليزر).

متى يكون مجدي اقتصاديًا استخدام البرج الشمسي؟

القيمة الاقتصادية للبرج الشمسي متعلقة بالعوامل التالية:

·         كمية أشعة الشمس في المنطقة.

·         الظروف المناخية في البيئة المحيطة (رياح،غبار).

·         وجود مصادر طاقة أخرى متوافرة في المنطقة.

·         وجود مساحات مفتوحة تمكِّننا من بناء البرج وحقل المرايا.

·         النجاعة وكمية الطاقة التي نحصل عليها.

قدرة الطاقة التي نحصل عليها من حقل المرايا:

يحتوي حقل المرايا على 64 مرآة، تتم مراقبتها وتوجيهها بدقة بواسطة

الحاسوب، بحيث ينعكس الضوء عنها إلى المكان المطلوب( في البرج).

·         مساحة كل مرآة 56 مترًا مربعًا.

·         المساحة الكلية للمرايا 3500 متر مربع.

نفترض أنه في يوم صيفي نستطيع الحصول على كيلواط واحد للمتر المربع

 ونحصل على قدرة طاقة قصوى مقدارها 3500 كيلواط 

(10⁶ * 3.6 جول في الثانية)من هذا الحقل.

أي الابحاث يتم اجراؤها في البرج الشمسي في معهد وايزمان؟

في هذا المشروع، عالي التكلفة، الذي تموله عدة شركات (اورمت, روتيم, معهد وايزمان)، يحاولون استخراج طاقة كهربائية من الطاقة الشمسية في البرج الشمسي.

من أجل تقليل الحاجة لبناء برج كبير تُنصب فيه توربينات ومولدات (على ارتفاع). تمَّ تخطيط وبناء نظام مرايا خاصة نُصبت بجانب سقف البرج الشمسي. النظام يتكون من عدد كبير من المرايا الصغيرة التي يمكن أن نشاهدها في الصورة.

كل مرآة صغيرة، يمكن توجيهها يدويا عند وصول اشعة الشمس اليها من المرايا في حقل المرايا،ويتم توجيهها الى المكان اللازم في أسفل البرج. وهذا يعنيأن الطاقة التي جُمِّعت من كل الحقل بأكمله، تركز في منطقة صغيرة في أسفل البرج الشمسي، إلى داخل جهاز يتم فيه استغلال الطاقة لتسخين الهواء المضغوط لاستخراج الكهرباء.

السؤال 1

هدف السؤال : معرفة علمية- تحويل الطاقة في محطات إنتاج الكهرباء

القدرات – مقارنة

العلامة الكاملة- 100%

الأشياء المتشابه: توربينا  ومولد

الفروق - مصدر طاقة (في المحطات الكهروحرارية نحرق الوقود، في البرج الشمسي نستعملأشعة الشمس), المادة التي تدوِّر التوربينا ( في المحطات الكهروحرارية البخار، في البرج الشمسي الهواء المضغوط في درجات حرارة عالية).

علامة جزئية: إذا تمّت مقارنة قسم من الأشياءأأو قسم من الفروق.

دون علامة: إجابة غير صحيحة،أو دون إجابة.

ملاحظات عامة:

في هذا السؤال، ندمج بين المعرفة السابقة عند الطلاب في موضوع محطات الكهرباء وبين معلومات جديدة تظهر في السؤال. الهدف أن يفهم التلاميذ أن هناك مراحل متشابه في عملية إنتاج الطاقة الكهربائية في جميع المحطات الكهربائية. حركة توربينا ومولد.

من المهم أن نميِّز بين المصادر التي تزود الطاقة لتحريك التوربينة في المحطات الحرارية كهربائية  والبرج الشمسي وتأثير استخدامها على البيئة المحيطة:

1.      في البرج الشمسي، مصدر الطاقة هو أشعة الشمس وهو مصدر متجدد لا يضر بالبيئة المخيطة.

2.      في محطات الكهرباء ( الكهرو حرارية) التي تعمل بواسطة الوقود الاحفوري، مصدر الطاقة يتناقص (غير متجدد)  من عملية حرق الوقود، تنطلق أيضًا نواتج مرافقة تؤدي إلى تلوث الهواء ( مثل : انبعاث غازات الدفيئة  وحامض الكبريت).

السؤال 2

هدف السؤال : معرفة علمية- صفات الهيدروجين

القدرات – فهم المقروء : تمييز تعليلات داعمة ترتكز على المعرفة العلمية

العلامة الكاملة –% 100 , الإجابات أ , ب , ث.

علامة جزئية:33%  لكل إجابة صحيحة.

دون علامة: جميع الإجابات غير صحيحة، أو عدم الإجابة.

ملاحظات عامة:

في هذا السؤال، يتعرف التلاميذ على إحدى البدائل المرغوبة لاستخراج الطاقة وهو الهيدروجين، إنّ عملية اتحاد الهيدروجين والأوكسجين، لا تؤدي الى ظهور مواد مرافقة تضر بالبيئة المحيطة، لأنه يَنْتُج  بخارماء فقط.  التنبؤ في العالم أن وسائل النقل ستستخدم الهيدروجين كوقود لاستخراج الكهرباء في خلايا الوقود.

يحتاج فصل الهيدروجين من المركب (مثل: الماء أو الميثان) إلى تزويد طاقة. يفضل إنتاج الهيدروجين  في الأماكن المتوفرة لإنتاجه ولاستخدام الطاقة البديلة التي لا تلوث. مثال على ذلك: طاقة باطن الارض، طاقة ارتفاع الماء، الطاقة الشمسية أو طاقة حركة الرياح.

بعد إنتاجه، يمكن أن ننقل الهيدروجين إلى أماكن تمكِّننا من استغلال الطاقة المخزونة فيها. الهيدروجين قابل للنقل من مكان إلى آخر في خزانات أو أنابيب.

الطريقة المقبولة التي تُستخدم لإنتاج الهيدروجين في المختبر هي الكتروليزا الماء ( تمرير تيار كهربائي عبر محلول أيوني).

اقتراحات تدريسية: يفضل التوسع في موضوع الحسنات للبيئية المحيطة التي نحصل عليها من استخدام الهيدروجين في تحريك السيارات بالمقارنة مع استخدام الوقود الاحفوري.

السؤال 3

هدف السؤال: قدرات- تطبيق المعرفة العلمية

العلامة الكاملة: % 100 : صدق عماد في ادعائه، بأنه حسب قانون حفظ الطاقة،  لا يمكن  ربح الطاقة، والطاقة لا تُنْتَج من العدم.

ادعاء عماد غير صحيح أن العملية غير مجدية، لأنه في هذه العملية نستخدم طاقة الشمس للحصول على الهيدروجين الذي نستخدمه كمادة وقود. أي أنه طاقة الشمس تتحول إلى طاقة قابلة  للاستخدام. 

علامة جزئية : %50: شرح صحيح، لماذا ادعاء عماد صحيح؟ او شرح، لماذا غير صحيح؟

دون علامة: الإجابة غير صحيحة،أو عدم الإجابة.

صعوبات واقتراحات تدريسية:

هناك صعوبة بفهم جدوى العملية من ناحية الطاقة. إذا تحقق قانون حفظ الطاقة  في عملية ما، هذا يعني أن كمية الطاقة المستغلة في عملية تحليل الماء مساوية لكمية الطاقة المنطلقة من تفاعل الهيدروجين والأوكسجين. الربح هو أن الطاقة اللازمة لتفكيك الماء متوافرة من الشمس، ولا نحتاج الى طاقة من مصدر متناقصتكلفته عالية، وفقًا لشرح السؤال السابق،يمكن إنتاج الهيدروجين من خلال استخدام الطاقة الشمسية بواسطة البرج الشمسي.  في الأماكن التي تتوفر بها المساحات وأشعة الشمس (مثل المناطق الصحراوية). يمكن نقل الهيدروجين (في خزانات،أو أنابيب) إلى مكان بحاجة إلى طاقة جاهزة  للاستخدام (وقود). أماكن سكنية.

السؤال 4

هدف السؤال : معرفة علمية – النجاعة وحساب كميات الطاقة

العلامة الكاملة%100: الإجابة أ. شرح : يوجد في الساعة 3600 ثانية. مساحة استقبال الأشعة 3500 متر مربع (جميع المرايا). من المتر المربع الواحد نحصل على 500 واط  (جول في الثانية). من  حاصل ضرب الأعداد الثلاثة نحصل على النتيجة:    6,300,000,000 جول.

صعوبات واقتراحات تدريسية:

يستصعب التلاميذ في فهم الأعداد الكبيرة. وعادة يحسبون بدقة ولا يقدرون بحسب القيم. هذا السؤال يحتاج إلى مهاراتالتقدير وفقا للمقادير. يمكن أن نكتب الأعداد التي تظهر في السؤال بالطريقة التالية:

10³ * 3.6 = 3600;10³ * 3.5 = 3500;10³ * 0.5 = 500

الإجابة يجب أن تكون حوالي10⁹ (10³ * 10³ * 10³)، لذلك يمكنأن نستثني الإجابات  ب, ت, ج.

السؤال 5

هدف السؤال : التعبير عن الرأي بخصوص الربح الاقتصادي في تطوير تقنية البرج الشمسي.

دون علامة

اقتراحات تدريسية:

يتطرق هذا السؤال إلى قضايا البيئة المحيطة.  نوصيأن نناقش الطلاب عن مشاكل البيئة المحيطة التي تنجم من استخدام الوقود الأُحفوري غير المتجدد بالمقارنة مع استخدام مصادر طاقة " نظيفة" متجددة مثل الشمس.