الطاقة الشمسية، كيفية انتاجها ومحاسنها

الطاقة الشمسية:

الطاقة الشمسية هي طاقة من الشمس، يتم تحويلها إلى طاقة حرارية Thermal energy أو كهربائية electricity. و هي أنظف مصادر الطاقة المتجددة المتاحة، وأكثرها وفره، يمكن لتقنيات الطاقة الشمسية تسخير هذه الطاقة لمجموعة متنوعة من الاستخدامات، بما في ذلك توليد الكهرباء، وتوفير الإضاءة أو بيئة داخلية مريحة، وتسخين المياه للاستخدام المنزلي أو التجاري أو الصناعي.

كما يمكن اعتبارها مصدر للطاقة يعتمد على الشمس. هذا يعني أن المادة الخام هي الشمس. يتم تصنيفها في فئة الطاقات المتجددة Renewable energies ، لأنها تعتبر لا تنضب. يقال أيضا إنها تمثل طاقة خضراء بنسبة 100 ٪ ، لأن إنتاجها لا يصدر سوى القليل من ثاني أكسيد الكربون.

يتم إنتاج الكهرباء بواسطة الطاقة الشمسية، عن طريق التقاطها بواسطة الألواح الشمسية Solar Panels ، أو محطات الطاقة الحرارية. تلتقط هذه التركيبات الأشعة التي تنتجها الشمس. ثم تقوم بتحويل طاقة الشمس إلى كهرباء أو حرارة، يمكن كذلك أن تتسبب في تفاعلات كيميائية. إن المقدار الإجمالي لحوادث الطاقة الشمسية على الأرض يتجاوز بشكل كبير متطلبات الطاقة الحالية، والمتوقعة في العالم. إذا تم تسخيره بشكل مناسب، إن هذا المصدر شديد الانتشار، ولديه القدرة على تلبية جميع احتياجات الطاقة المستقبلية. من المتوقع أن تصبح الطاقة الشمسية جذابة بشكل متزايد كمصدر للطاقة المتجددة، بسبب إمداداتها التي لا تنضب وطابعها غير الملوث، في تناقض صارخ مع الوقود الأحفوري المحدود الفحم والنفط والغاز الطبيعي.

تعتبر الشمس مصدر طاقة قوي للغاية، وضوء الشمس هو إلى حد بعيد أكبر مصدر للطاقة تتلقاه الأرض، لكن شدتها على سطح الأرض منخفضة جدا في الواقع. هذا في الأساس بسبب الانتشار الشعاعي الهائل للإشعاع من الشمس البعيدة. تحدث خسارة إضافية طفيفة نسبيا بسبب الغلاف الجوي للأرض، والسحب التي تمتص أو تشتت ما يصل إلى 54 بالمائة من ضوء الشمس القادم. إلى تكوين ضوء الشمس الذي يصل إلى الأرض، حيث يتكون من حوالي 50 في المائة من الضوء المرئي، و45 في المائة من الأشعة تحت الحمراء، وكميات أصغر من الأشعة فوق البنفسجية، وأشكال أخرى من الإشعاع الكهرومغناطيسي.

إن إمكانات الطاقة الشمسية هائلة، حيث تستقبل الأرض حوالي 200000 ضعف إجمالي قدرة توليد الكهرباء اليومية في العالم، كل يوم على شكل طاقة شمسية. لسوء الحظ، على الرغم من أن الطاقة الشمسية نفسها مجانية، إلا أن التكلفة العالية لجمعها، وتحويلها، وتخزينها لا تزال تحديا لاستغلالها في العديد من الأماكن. يمكن تحويل الإشعاع الشمسي إما إلى الطاقة الحرارية (الحرارة)، أو إلى طاقة كهربائية، على الرغم من أن الأولى أسهل في تحقيقها.

الطاقة الحرارية:

من بين الأجهزة الأكثر شيوعا المستخدمة لالتقاط الطاقة الشمسية وتحويلها إلى طاقة حرارية Thermal energy ، مجمعات الألواح المسطحة، والتي تستخدم لتطبيقات التسخين الشمسي. نظرا لأن شدة الإشعاع الشمسي على سطح الأرض منخفضة جدا، يجب أن تكون هذه المجمعات كبيرة في المساحة. حتى في الأجزاء المشمسة من المناطق المعتدلة في العالم، على سبيل المثال، يجب أن تبلغ مساحة المجمع حوالي 40 مترا مربعا (430 قدما مربعا)، لجمع طاقة كافية لتلبية احتياجات الطاقة لشخص واحد.

تتكون مجمعات الألواح المسطحة الأكثر استخداما، من صفيحة معدنية سوداء مغطاة بورقة أو اثنتين من الزجاج، يتم تسخينها بواسطة ضوء الشمس الساقط عليها. ثم يتم نقل هذه الحرارة إلى الهواء أو الماء، وتسمى السوائل الحاملة، والتي تتدفق عبر الجزء الخلفي من اللوحة. يمكن استخدام الحرارة مباشرة، أو يمكن نقلها إلى وسط آخر للتخزين. تستخدم مجمعات الألواح المسطحة بشكل شائع في سخانات المياه بالطاقة الشمسية، وتدفئة المنزل. عادة ما يتم تخزين الحرارة للاستخدام في الليل، أو في الأيام الملبدة بالغيوم باستخدام صهاريج معزولة لتخزين المياه الساخنة خلال الفترات المشمسة. يمكن لمثل هذا النظام أن يزود المنزل بالماء الساخن المسحوب من خزان التخزين، أو مع تدفق المياه الدافئة عبر الأنابيب في الأرضيات والأسقف، يمكن أن يوفر تدفئة للمكان. مجمعات الالواح المسطحة عادة سوائل درجات حرارتها تتراوح من 66 إلى 93 درجة مئوية، (150 إلى 200 درجة فهرنهايت). تتراوح كفاءة هذه المجمعات، (أي نسبة الطاقة المستلمة التي تحولها إلى طاقة قابلة للاستخدام) من 20 إلى 80 بالمائة، اعتمادا على تصميم المجمع.

توجد طريقة أخرى لتحويل الطاقة الحرارية في البرك الشمسية، وهي عبارة عن أجسام من المياه المالحة مصممة لتجميع، وتخزين الطاقة الشمسية. تتيح الحرارة المستخرجة من هذه البرك إنتاج المواد الكيميائية، والأغذية، والمنسوجات وغيرها من المنتجات الصناعية، ويمكن أيضا استخدامها لتدفئة الصوبات الزراعية، وأحواض السباحة، ومباني الماشية. تستخدم البرك الشمسية أحيانا لإنتاج الكهرباء من خلال استخدام محرك دورة رافكين العضوي، وهي وسيلة فعالة واقتصادية نسبيا لتحويل الطاقة الشمسية، وهي مفيدة بشكل خاص في المواقع النائية. تعتبر الأحواض الشمسية باهظة الثمن إلى حد ما في التركيب والصيانة، وهي مقصورة بشكل عام على المناطق الريفية الدافئة.

على نطاق أصغر، يمكن أيضا تسخير طاقة الشمس لطهي الطعام في أفران شمسية مصممة خصيصا. تركز الأفران الشمسية عادة ضوء الشمس من منطقة واسعة إلى نقطة مركزية، حيث يقوم وعاء أسود السطح بتحويل ضوء الشمس إلى حرارة. عادة ما تكون الأفران محمولة، ولا تتطلب أي مدخلات وقود أخرى.

كيف تعمل الطاقة الشمسية؟

ان كمية ضوء الشمس التي تضرب سطح الأرض في ساعة ونصف، تعادل استهلاك الطاقة في العالم بأكمله لمدة عام كامل. تعمل تقنيات الطاقة الشمسية على تحويل ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية، إما من خلال الألواح الكهروضوئية (PV)، أو من خلال المرايا التي تركز الإشعاع الشمسي. يمكن استخدام هذه الطاقة لتوليد الكهرباء، أو تخزينها في بطاريات، أو تخزين حراري. يوفر إشعاع الشمس ثلاثة أنواع من المصادر التي يمكن استخدامها لإنتاج الطاقة: الكهروضوئية ، والحرارية ، والديناميكية الحرارية.

الخلايا الشمسية:

يمكن تحويل الإشعاع الشمسي مباشرة إلى كهرباء بواسطة الخلايا الشمسية (الخلايا الكهروضوئية). في مثل هذه الخلايا، يتم توليد جهد كهربائي صغير عندما يضرب الضوء التقاطع بين معدن وأشباه الموصلات (مثل السيليكون)، أو التقاطع بين اثنين من أشباه الموصلات المختلفة. الطاقة المولدة من خلية كهروضوئية واحدة عادة ما تكون حوالي 2 واط فقط. من خلال توصيل أعداد كبيرة من الخلايا الفردية معا، كما هو الحال في صفائف الألواح الشمسية Solar Panels، يمكن توليد مئات أو حتى آلاف الكيلوواط من الطاقة الكهربائية في محطة كهربائية تعمل بالطاقة الشمسية أو في مجموعة منزلية كبيرة. كفاءة الطاقة في معظم الخلايا الكهروضوئية الحالية حوالي 15 إلى 20 في المائة فقط، وبما أن شدة الإشعاع الشمسي منخفضة في البداية، فإن التجمعات الكبيرة والمكلفة لهذه الخلايا مطلوبة لإنتاج كميات معتدلة من الطاقة.

وجدت الخلايا الكهروضوئية الصغيرة التي تعمل على ضوء الشمس أو الضوء الاصطناعي استخداما كبيرا في التطبيقات منخفضة الطاقة، كمصادر طاقة للآلات الحاسبة والساعات، على سبيل المثال. تم استخدام وحدات أكبر لتوفير الطاقة لمضخات المياه وأنظمة الاتصالات في المناطق النائية والأقمار الصناعية الخاصة بالطقس والاتصالات. 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 مالكي المنازل والشركات على أسطح منازلهم لاستبدال أو زيادة الإمداد الكهربائي التقليدي.

توظف محطات الطاقة الشمسية المركزة لتركيز ضوء الشمس المستلم من منطقة واسعة على مستقبل أسود صغير، وبالتالي زيادة شدة الضوء بشكل كبير من أجل إنتاج درجات حرارة عالية. يمكن لمصفوفات المرايا أو العدسات المحاذاة بعناية تركيز ما يكفي من ضوء الشمس لتسخين هدف إلى درجات حرارة تصل إلى 2000 درجة مئوية (3600 درجة فهرنهايت) أو أكثر. يمكن بعد ذلك استخدام هذه الحرارة لتشغيل غلاية، والتي بدورها تولد بخار لمحطة توليد الطاقة الكهربائية للتوربينات البخارية. 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.

كيفية عمل الخلايا الكهروضوئية:

عندما تشرق الشمس على لوح شمسي ، تمتص الخلايا الكهروضوئية photovoltaïques في اللوحة الطاقة من ضوء الشمس. تولد هذه الطاقة شحنات كهربائية تتحرك استجابةً لمجال كهربائي داخلي في الخلية ، مما يؤدي إلى تدفق الكهرباء.

تركيز الطاقة الشمسية الحرارية:

تستخدم أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية المركزة (CSP) المرايا لعكس ضوء الشمس وتركيزه على أجهزة الاستقبال التي تجمع الطاقة الشمسية وتحويلها إلى حرارة ، والتي يمكن استخدامها بعد ذلك لإنتاج الكهرباء أو تخزينها لاستخدامها لاحقًا. يتم استخدامه بشكل أساسي في محطات الطاقة الكبيرة جدًا.

كيف يتم استخدام الطاقة الشمسية:

الطاقة الشمسية هي تقنية طاقة مرنة للغاية: يمكن بناؤها على شكل توليد موزع (يقع عند نقطة الاستخدام أو بالقرب منها) أو كمحطة مركزية للطاقة الشمسية على نطاق المرافق (على غرار محطات الطاقة التقليدية). يمكن لكلتا الطريقتين أيضًا تخزين الطاقة التي ينتجانها للتوزيع بعد غروب الشمس ، باستخدام تقنيات تخزين الطاقة الشمسية.

هل الطاقة الشمسية مصدر طاقة نظيف؟

نعم ، الطاقة الشمسية هي مصدر طاقة متجدد ولانهائي ولا ينتج عنه انبعاثات ضارة للغازات الدفيئة ، طالما استمرت الشمس في السطوع ، سيتم إطلاق الطاقة.

إن البصمة الكربونية للألواح الشمسية صغيرة بالفعل ، لأنها تدوم لأكثر من 25 عامًا. بالإضافة إلى ذلك ، يتم إعادة تدوير المواد المستخدمة في الألواح بشكل متزايد ، وبالتالي ستستمر البصمة الكربونية في الانكماش.

متى تم اكتشاف الطاقة الشمسية؟

استخدم البشر الطاقة الشمسية في وقت مبكر من القرن السابع قبل الميلاد عندما استخدم البشر ضوء الشمس لإشعال الحرائق من خلال عكس أشعة الشمس على أجسام لامعة. في وقت لاحق ، في القرن الثالث قبل الميلاد ، استخدم الإغريق والرومان الطاقة الشمسية مع المرايا لإضاءة المشاعل للاحتفالات الدينية.

في عام 1839 وفي سن التاسعة عشرة فقط ، اكتشف الفيزيائي الفرنسي إدموند بيكريل التأثير الكهروضوئي (PV) أثناء تجربته مع خلية مصنوعة من أقطاب معدنية في محلول موصل. وأشار إلى أن الخلية أنتجت المزيد من الكهرباء عند تعرضها للضوء - كانت خلية ضوئية.

في عام 1954 ولدت تقنية الكهروضوئية عندما طور داريل شابين وكالفن فولر وجيرالد بيرسون خلية السيليكون الكهروضوئية في مختبرات بيل ، حيث كانت أول خلية شمسية قادرة على امتصاص وتحويل ما يكفي من طاقة الشمس إلى طاقة لتشغيل المعدات الكهربائية اليومية.

كيف يتم إنتاج الكهرباء من الطاقة الشمسية بالضبط؟

عادة ما تكون الألواح الشمسية Solar Panels مصنوعة من السيليكون ، أو مادة أخرى شبه موصلة مثبتة في إطار لوحة معدنية مع غلاف زجاجي. عندما تتعرض هذه المادة لفوتونات من ضوء الشمس (حزم صغيرة جدًا من الطاقة) فإنها تطلق إلكترونات وتنتج شحنة كهربائية.

تولد هذه الشحنة الكهروضوئية تيارًا كهربائيًا (على وجه التحديد ، تيار مباشر أو تيار مستمر) ، يتم التقاطه بواسطة الأسلاك في الألواح الشمسية. ثم يتم تحويل هذه الكهرباء DC إلى تيار متردد (AC) بواسطة العاكس. التيار المتردد هو نوع التيار الكهربائي المستخدم عند توصيل الأجهزة بمقابس الحائط العادية.

ما الفرق بين الألواح الكهروضوئية الشمسية والألواح الحرارية الشمسية؟

تولد الألواح الشمسية Solar Panels الكهروضوئية الكهرباء ، بينما تولد الألواح الحرارية الشمسية الحرارة. في حين أن مصدر الطاقة هو نفسه الشمس .

تعتمد الطاقة الشمسية الكهروضوئية على التأثير الكهروضوئي ، الذي من خلاله يؤثر الفوتون (الوحدة الأساسية للضوء) على سطح شبه موصل مثل السيليكون ويولد إطلاق إلكترون. الطاقة الحرارية الشمسية أقل تعقيدًا وهي ببساطة تسخين مباشر للمياه (أو سوائل أخرى) بواسطة ضوء الشمس. للاستخدام المنزلي ، يتم أيضًا تثبيت الألواح الحرارية الشمسية على سطح مواجه للشمس ، لتسخين المياه المخزنة في أسطوانة ماء ساخن وبالتالي توفير الماء الساخن والتدفئة. على نطاق أوسع ، يمكن أيضًا استخدام الحرارة الشمسية في محطات الطاقة.

الأنواع الثلاثة للطاقة الشمسية:

1 ـ الطاقة الشمسية الكهروضوئية:

يتم الحصول على الطاقة الشمسية الكهروضوئية بواسطة طاقة أشعة الشمس. بتعبير أدق ، المبدأ هو تحويل الطاقة التي تحملها الفوتونات في الضوء إلى كهرباء. هذا هو السبب في أن الألواح الكهروضوئية التي ستجمعها غالبًا ما يتم تثبيتها على الأسطح ، بأفضل اتجاه ممكن.

الخلية الكهروضوئية . مصنوع من السيليكون، عند تعرضه للضوء ، فإنه يمتص طاقة الفوتونات الضوئية.

يولد الأخير تيارًا كهربائيًا مباشرًا يتم تحويله إلى تيار متناوب باستخدام العاكس . يمكن استخدام هذه الكهرباء المنتجة على الفور لتشغيل أجهزتك أو لإضاءتك.

يتطلب أي تركيب شمسي ثلاثة عناصر لضمان استعادة الأشعة التي تنقلها الشمس ، ثم تحويلها إلى كهرباء وتوزيعها:

الألواح الشمسية Solar Panels ؛ عاكس لتحويل الكهرباء التي تم الحصول عليها إلى تيار متردد ؛ عداد يستخدم لحساب كمية التيار الذي يتم إنتاجه وتوزيعه.

2 ـ الطاقة الشمسية الحرارية:

تحتوي الألواح الشمسية Solar Panels الحرارية على سوائل نقل الحرارة. بمجرد تسخينها بفعل الشمس ، تبدأ السوائل في تسخين خزان الماء الساخن.

تستخدم الطاقة الحرارية الشمسية أيضًا لتزويد: التسخين بالطاقة الشمسية؛ سخان مياه طباخة.

لا تنتج الكهرباء بل الحرارة. قد يكون من المفيد في بعض الاستخدامات الصناعية أن تحل محل بعض استخدامات الطاقة الأحفورية.

3 ـ الطاقة الشمسية الديناميكية الحرارية:

يتم إنتاج الطاقة الشمسية الديناميكية الحرارية عبر محطات الطاقة الشمسية المركزة. إنها مجموعة من المرايا التي تحتوي على سوائل نقل الحرارة ، مقترنة بمولد كهرباء يعمل بالطاقة الشمسية. مثل الألواح الشمسية Solar Panels الحرارية ، تحول المرايا الطاقة التي تجمعها إلى حرارة. هذه الحرارة لها درجة حرارة عالية جدًا. أعلى بكثير من درجة الحرارة التي تم جمعها عندها. يمكن أن تتراوح من 250 إلى 800 درجة حسب التقنية المستخدمة. يتم تحويل هذه الحرارة إلى كهرباء عن طريق التوربينات والمولد كما هو الحال في محطة الطاقة الحرارية.

مزايا الطاقة الشمسية:

مزايا الطاقة الشمسية عديدة منها:

1 ـ تعطينا نوعان من الطاقة: الكهروضوئية والحرارة

2 ـ طاقة لا تنضب على النطاق البشري (نهاية الشمس متوقعة في أكثر من 5 مليارات سنة!)

3 ـ لا تلوث في إنتاج الطاقة المباشر

4 ـ من السهل اقامتها في المنزل

5 ـ غير مكلف للعمل بعد تركيب المعدات

6 ـ تسمح لك بالاكتفاء الذاتي من الطاقة بطريقة بسيطة

7 ـ اضطرابات بصرية قليلة.

8 ـ عدم وجود إزعاج وضوضاء.

عيوب الطاقة الشمسية:

على الرغم من كل مزاياها ، فإن الطاقة الشمسية مثلها مثل كل طاقة ، لها أيضًا بعض العيوب. فيما يلي أهمها:

1 ـ الطاقة الشمسية تبقى معتمدة على وجود ضوء الشمس. لذلك يظل من الضروري في كثير من الأحيان أن يكون لديك مصدر آخر للطاقة أو الحرارة.

2 ـ تظل تكاليف التركيب مرتفعة للأفراد

3 ـ تتميز التركيبات الكهروضوئية بدورة حياة محدودة وعوائد متناقصة بمرور الوقت

4 ـ لا يمكن تخزين الكهرباء الناتجة عن الطاقة الكهروضوئية

5 ـ تتطلب الطاقة الحرارية الشمسية تعديلات في المنزل ليتم الحفاظ عليها.

6 ـ حاليًا ، لا يتم إعادة تدوير جميع التركيبات المستخدمة ، وتتطلب المنشآت الجديدة أيضًا طاقة (ليست نظيفة دائمًا) لإنتاجها.

عموما : الطاقة الشمسية هي طاقة لها مستقبل مشرق أمامها. مع التقدم التكنولوجي الذي يحدث كل عام في هذا القطاع ، من المحتمل أن تجعل الابتكارات من الممكن التغلب على أوجه القصور الحالية مع جعلها في متناول أكبر عدد ممكن من الناس. لذلك ستكون الطاقة الشمسية بلا شك جزءًا من مشهد إنتاج الطاقة في السنوات المقبلة ، خاصة في المناطق التي لا تنقص فيها الشمس.