كلمة "طاقة" تعني القدرة على القيام بعمل. تزداد الحاجة إلى الطاقة في العالم إلى بعد مرتفع جدًا بسبب النمو الطبيعي واستخدام التكنولوجيا الجديدة. إن مصدر الوقود القابل للاحتراق الذي نعتمد عليه ، مثل الفحم والغاز والنفط ، محدود. يثير الاحتراق المتزايد للوقود مخاوف بشأن الاحتباس الحراري وتلوث الهواء . بسبب الاعتماد المفرط للوقود الأحفوري على الطاقة ، فإنها تنفد ، ومن الضروري إيجاد مصادر بديلة للطاقة ، ومصدر بديل واحد هو الشمس .
الطاقة الشمسية هي ضوء مشع وحرارة من الشمس يتم تسخيرها باستخدام مجموعة من التقنيات المتطورة باستمرار مثل التدفئة الشمسية ، والطاقة الحرارية الشمسية ، والعمارة الشمسية ، والتمثيل الضوئي الاصطناعي.
كما أنها مصدر أساسي للطاقة المتجددة ، وتتميز تقنياتها على نطاق واسع بأنها إما طاقة شمسية سلبية أو طاقة شمسية نشطة اعتمادًا على كيفية التقاطها وتوزيعها للطاقة الشمسية أو تحويلها إلى طاقة شمسية.
أهداف التعلم
بنهاية هذا الدرس ، يجب أن تكون قادرًا على:
تعد الشمس مصدر طاقة قوي للغاية ، وضوء الشمس هو إلى حد بعيد أكبر مصدر للطاقة تتلقاها الأرض. يتكون الإشعاع الشمسي أو ضوء الشمس الذي يصل إلى الأرض من حوالي 50 في المائة من الضوء المرئي ، و 45 في المائة من الأشعة تحت الحمراء ، وكميات أصغر من الأشعة فوق البنفسجية وأشكال أخرى من الإشعاع الكهرومغناطيسي. الطاقة الشمسية هي ببساطة الضوء والحرارة اللذان يأتيان من الشمس. الطاقة الشمسية هي أنظف مصادر الطاقة المتجددة المتاحة وأكثرها وفرة.
أشكال الطاقة الشمسية
كما هو موضح أعلاه ، فإن الألواح الشمسية مسؤولة عن جمع ضوء الشمس أو الإشعاع الشمسي وتحويلها إلى طاقة كهربائية. تنظم وحدة التحكم في الشحن الشمسي تدفق التيار من الألواح الشمسية إلى البطارية. يراقب جهاز التحكم جهد البطارية ويقلل التيار عندما تكون البطارية مشحونة بالكامل. تخزن البطارية الطاقة لاستخدامها لاحقًا. يقوم العاكس بتحويل التيار المباشر (الذي تولده الطاقة الشمسية) إلى التيار المتردد (الذي يستخدم في الشبكة الكهربائية). يقيس العداد كمية الطاقة التي تستخدمها الأجهزة المنزلية مثل الثلاجات والمصابيح والتلفزيون.
يمكن أن تكون الطاقة الشمسية في أي من الأشكال التالية ؛
يمكن تحويل الإشعاع الشمسي إما إلى طاقة حرارية أو طاقة كهربائية .
طاقة حرارية
الأجهزة الأكثر شيوعًا المستخدمة لالتقاط الطاقة الشمسية وتحويلها إلى طاقة حرارية هي مجمعات الألواح المسطحة ، والتي تستخدم لتطبيقات التسخين الشمسي. نظرًا لانخفاض كثافة الإشعاع الشمسي على سطح الأرض ، يجب أن تكون هذه المجمعات كبيرة المساحة. على سبيل المثال ، يجب أن تبلغ مساحة سطح المجمع حوالي 40 مترًا مربعًا (430 قدمًا مربعًا) لتجميع الطاقة الكافية اللازمة لشخص واحد.
تتكون مجمعات الألواح المسطحة الأكثر استخدامًا من صفيحة معدنية سوداء مغطاة بورقة أو اثنتين من الزجاج ، يتم تسخينها بواسطة ضوء الشمس الساقط عليها. يتم بعد ذلك نقل حرارة ضوء الشمس إلى الهواء أو الماء ، ويسمى السوائل الحاملة ، والتي تتدفق عبر الجزء الخلفي من اللوحة. يمكن استخدام هذه الحرارة مباشرة أو يمكن نقلها إلى وسيلة تخزين أخرى. يتم تخزين الحرارة للاستخدام في الليل أو في الأيام الملبدة بالغيوم باستخدام خزانات معزولة لتخزين المياه الساخنة خلال الفترات المشمسة. مجمعات اللوح المسطح عادة سائل ناقل الحرارة إلى درجات حرارة تتراوح من 66 إلى 93 درجة مئوية. تتراوح كفاءة هذه المجمعات من 20 إلى 80 بالمائة ، اعتمادًا على تصميم المجمع.
توجد طريقة أخرى لتحويل الطاقة الحرارية في البرك الشمسية ، وهي أجسام من المياه المالحة مصممة لتجميع وتخزين الطاقة الشمسية. تتيح الحرارة المستخرجة من هذه البرك إنتاج المواد الكيميائية والأغذية والمنسوجات وأحواض السباحة والماشية. تعتبر الأحواض الشمسية باهظة الثمن إلى حد ما في التركيب والصيانة وهي مقصورة بشكل عام على المناطق الريفية الدافئة.
توليد الكهرباء
يمكن تحويل الإشعاع الشمسي مباشرة إلى كهرباء بواسطة الخلايا الشمسية. في مثل هذه الخلايا ، يتم توليد جهد كهربائي صغير عندما يصطدم الضوء بالتقاطع بين معدن وأشباه الموصلات (مثل السيليكون) أو التقاطع بين اثنين من أشباه الموصلات. تبلغ الطاقة المولدة من خلية كهروضوئية واحدة حوالي 2 واط. تبلغ كفاءة الطاقة لمعظم الخلايا الكهروضوئية في الوقت الحاضر حوالي 15 إلى 20 في المائة فقط ، وبما أن كثافة الإشعاع الشمسي منخفضة ، في البداية ، يلزم وجود مجموعات كبيرة ومكلفة من هذه الخلايا لإنتاج كميات معتدلة من الطاقة.
تم استخدام وحدات أكبر من الخلايا الكهروضوئية لتوفير الطاقة لمضخات المياه وأنظمة الاتصالات في المناطق النائية وأقمار الاتصالات.
يمكن تركيب ألواح السيليكون البلورية التقليدية والتقنيات الناشئة التي تستخدم الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة ، بما في ذلك الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني ، من قبل أصحاب الأعمال وأصحاب المنازل على أسطح منازلهم لتحل محل التيار الكهربائي التقليدي.
تستخدم محطات الطاقة الشمسية المركزة مجمعات مركزة أو مركزة لتركيز ضوء الشمس المتلقاة من منطقة واسعة إلى جهاز استقبال أسود صغير ، وبالتالي زيادة شدة الضوء بشكل كبير من أجل إنتاج درجات حرارة أعلى. يمكن لمصفوفات المرايا أو العدسات المحاذاة بعناية تركيز ما يكفي من ضوء الشمس لتسخين درجة حرارة مستهدفة تبلغ 2000 درجة مئوية أو أكثر. يمكن بعد ذلك استخدام هذه الحرارة لتشغيل غلاية ، والتي بدورها تولد البخار لمحطة توليد الطاقة الكهربائية لتوربينات البخار. لإنتاج البخار مباشرة ، يمكن ترتيب المرايا المتحركة بحيث يتم تركيز كميات كبيرة من الإشعاع الشمسي على الأنابيب السوداء التي يتم من خلالها تدوير المياه وبالتالي تسخينها.
تطبيقات أخرى
تستخدم الطاقة الشمسية لإنتاج الملح من مياه البحر عن طريق التبخر. تعمل وحدات التحلية التي تعمل بالطاقة الشمسية على تحويل المياه المالحة إلى مياه شرب عن طريق تحويل طاقة الشمس إلى حرارة ، بشكل مباشر أو غير مباشر ، لدفع عملية التحلية.
ظهرت تكنولوجيا الطاقة الشمسية أيضًا للإنتاج النظيف والمتجدد للهيدروجين كمصدر بديل للطاقة.
العوامل المؤثرة على أداء نظام الطاقة الشمسية
1. تغير الطقس
نظرًا لأن التعرض للحرارة يمكن أن يؤدي إلى تدهور الإنتاج اليومي للخلايا الشمسية قبل الأوان ، فإن درجات الحرارة المرتفعة تؤدي إلى انخفاض الجهد وانخفاض الطاقة الإجمالية. تعمل الخلايا الشمسية بشكل أفضل في البرودة وليس في المناخات الحارة. لذلك ، يؤدي ارتفاع درجات الحرارة فوق 25 درجة مئوية إلى تسوس ناتج الألواح الشمسية.
2. التظليل
عندما يسقط الظل حتى على جزء صغير من اللوحة الشمسية ، ينخفض التيار عبر السلسلة بأكملها. تؤثر الخلايا المظللة على التدفق الحالي لنظام الطاقة الشمسية بأكمله.
3. اتجاه السقف
يجب تعديل زاوية ميل الألواح الشمسية بشكل فعال وفقًا للتغيرات في المواسم وخط العرض وخط الطول وساعات سطوع الشمس.
4. نظافة الألواح الشمسية
نظافة سطح الألواح الشمسية متصلة مباشرة بتحويل الطاقة الكهروضوئية. تعتبر العواصف الرملية والبيئات الملوثة وهطول الأمطار من العوامل القليلة التي قد تلعب دورًا في تقليل كفاءة الوحدات الشمسية.
مزايا وعيوب الطاقة الشمسية
مزايا الطاقة الشمسية:
تشمل عيوب الطاقة الشمسية ؛
ملخص
