الطاقة الشمسية وطرق تحويلها

ما هي الطاقة الشمسية؟

وفقًا للنتائج العلمية ، تعترض الأرض الكثير من الطاقة الشمسية ، 173 تريليون تيراواط لتكون محددة. هذا حرفيا أكثر من عشرة آلاف من الطاقة التي يستخدمها سكان العالم بأسره. هذا يؤكد صحة حقيقة أن الشمس هي المصدر الأكثر وفرة للطاقة في العالم بأسره وأنه يمكن أن تكون يومًا ما المصدر الأكثر اعتمادًا على الطاقة.

تقليديا ، تم تلبية الاحتياجات الكهربائية في العالم من خلال الوقود الأحفوري مثل النفط والغاز الطبيعي والفحم. ومع ذلك ، فإن مصادر الطاقة هذه لها تأثيران سلبيان رئيسيان:

يلعبون دورًا أكبر في الاحتباس الحراري وتلوث الأمطار الحمضية ، مما يؤثر سلبًا على العديد من الحيوانات والنباتات والبشر في البيئة.

قلة من البلدان لديها إمكانية الوصول الكامل إلى موارد الطاقة القائمة على الوقود الأحفوري ، مما قد يؤدي إلى عدم الاستقرار السياسي والاقتصادي العالمي.

أفضل بديل هو الطاقة الشمسية ، وهي مورد متجدد ، مما يعني أنها لن تصبح غير متوفرة. يوفر إمدادًا غير محدود وثابت عبر الوقت. تعتبر الطاقة الشمسية أيضًا مصدرًا أخضر للطاقة لأنها لا تنبعث منها ملوثات أثناء عملية إنتاج الطاقة.

إذن ، ما هي الطاقة الشمسية؟
الطاقة الشمسية هي الطاقة التي تنتجها الشمس على شكل حرارة وضوء. إنه أحد أكثر مصادر الطاقة المتجددة والمتاحة بسهولة على كوكب الأرض. وحقيقة أنها متوفرة بكثرة ومجانية ولا تنتمي لأي شخص يجعلها واحدة من أهم مصادر الطاقة غير التقليدية. استخدم الناس الطاقة الشمسية منذ العصور القديمة باستخدام عدسات مكبرة بسيطة لتركيز ضوء الشمس في أشعة شديدة السخونة لدرجة أنها قد تتسبب في اشتعال الخشب.

بشكل أساسي ، يمكن استخدام الطاقة الشمسية لتحويلها إلى طاقة حرارية أو يمكن تحويلها إلى كهرباء. الطاقة الشمسية هي طاقة يتم تسخيرها من الشمس. يتم استخدامه بطريقتين رئيسيتين:

من خلال إنتاج الكهرباء
تستخدم هذه التقنية أجهزة الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV) أو الخلايا الشمسية التي تحول طاقة الشمس إلى كهرباء. تنتج الأجهزة الكهروضوئية الكهرباء مباشرة من ضوء الشمس من خلال عملية إلكترونية تحدث بشكل طبيعي في أنواع معينة من المواد المعروفة باسم أشباه الموصلات.

يتم إطلاق الإلكترونات الموجودة في هذه المواد عن طريق تحفيز الأشعة الشمسية للسفر عبر دائرة إلكترونية ، وإرسال الطاقة إلى الشبكة أو تشغيل الأجهزة الكهربائية مباشرة. يمكن استخدام هذا النوع من الطاقة لتشغيل الساعات الشمسية أو الآلات الحاسبة أو إشارات المرور. غالبًا ما يتم استخدامها في المواقع غير المتصلة بشبكة الكهرباء.

أجهزة تجميع الطاقة الشمسية

من أفضل بنوك الطاقة الشمسية لعام 2023 لشحن أجهزتك في أي وقت وفي أي مكان
يقوم المجمع الحراري الشمسي بتسخير الحرارة عن طريق امتصاص أشعة الشمس. تعمل هذه التقنية على تسخير طاقة الشمس لتسخين المياه (ألواح المياه بالطاقة الشمسية الساخنة) للاستخدام المنزلي مثل سخانات المياه وأحواض المياه الساخنة والمسابح الأرضية. تستخدم محطات الطاقة الشمسية المركزة المجمعات الأكثر تعقيدًا لإنتاج الكهرباء عن طريق تسخين سائل لتحويل التوربينات المتصلة بمولد. عادةً ما يتم استخدام المجمعات البسيطة في المباني التجارية والسكنية لتدفئة المساحات.

يمكن استخدام الطاقة الشمسية المحولة إلى كهرباء على الفور لتشغيل الأضواء أو العديد من الأجهزة الأخرى. والأفضل من ذلك ، أنه يمكن تخزينها في بطاريات لاستخدامها في المستقبل. تولد الخلايا الشمسية عادة كهرباء من نوع التيار المباشر (DC). ومع ذلك ، يمكن تحويله إلى تيار متردد (تيار متردد) باستخدام جهاز يعرف باسم العاكس. يمكن استخدام الطاقة الشمسية المحولة إلى طاقة حرارية لغرض تسخين المياه على الفور أو تخزينها كمياه ساخنة في خزانات لاستخدامها لاحقًا.

يمكن تصنيف الطاقة الشمسية على نطاق واسع على أنها طاقة شمسية نشطة أو سلبية اعتمادًا على كيفية التقاطها واستخدامها. في الطاقة الشمسية النشطة ، تُستخدم معدات تسخين شمسية خاصة لتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية بينما في الطاقة الشمسية السلبية ، لا توجد المعدات الميكانيكية. تشمل الطاقة الشمسية النشطة استخدام المعدات الميكانيكية مثل الخلايا الكهروضوئية أو المجمعات الحرارية الشمسية أو المضخات والمراوح لاحتجاز الطاقة الشمسية.

تعمل تقنيات الطاقة الشمسية السلبية على تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية دون استخدام أنظمة ميكانيكية نشطة. إنها بشكل أساسي ممارسة استخدام النوافذ والجدران والأشجار ووضع المباني والتقنيات البسيطة الأخرى لالتقاط أو تشتيت الشمس للاستخدام. يعد التسخين الشمسي السلبي طريقة رائعة للحفاظ على الطاقة وتعظيم الاستفادة. مثال على التسخين الشمسي السلبي هو ما يحدث لسيارتك في يوم صيفي حار.

كيف يتم تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء؟

تتمثل الخطوة الأولى لتحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء في تركيب الخلايا الكهروضوئية (PV) أو الخلايا الشمسية. الطاقة الكهروضوئية تعني الضوء والكهرباء. تقوم هذه الخلايا باحتجاز طاقة الشمس وتحويلها إلى كهرباء. تتكون هذه الخلايا الشمسية من مواد تُظهر تأثيرًا ضوئيًا ، مما يعني أنه عندما تصطدم أشعة الشمس بالخلية الكهروضوئية ، فإن فوتونات الضوء تخيف الإلكترونات داخل الخلية مما يدفعها لبدء التدفق ، وفي النهاية تحفز انتاج الكهرباء.

عند البحث عن الألواح الشمسية ، سيكون من المفيد معرفة الخيارات المتاحة في السوق. فيما يلي مخطط تفصيلي للأهم:

متعدد الكريستالات - يستخدم هذا السيليكون متعدد البلورات
أحادي البلورية - هذا مثالي للمساحات الصغيرة
غشاء رقيق - عادة ما يكون أكبر حجمًا وأكثر كفاءة خلال النهار

يكمن التباين بين المواد المستخدمة في تصنيع أحادي البلورية ومتعدد البلورات في تكوين ركيزة السيليكون المستخدمة لتصنيع الخلايا الشمسية وفي النهاية الألواح الشمسية. كما يوحي الاسم ، تشير الكريستالات إلى العديد من البلورات ، بينما تشير البلورات الأحادية إلى بلورة واحدة. كلما كانت أحجام البلورات أكبر ، زادت كفاءة الخلايا الشمسية ، وهو ما يفسر سبب كون الخلايا أحادية البلورية عادة أكثر كفاءة بنسبة 10-15٪ من البلورات متعددة البلورات.

كيف تعمل الألواح الشمسية؟

يجب أن يتم تركيب الألواح الشمسية على منطقة مفتوحة لا تسدها الأشجار أو أي تركيب. عادة ما يكون السقف هو أفضل رهان. ثم يتم توصيله بالمبنى من خلال العاكس. العاكس هو جهاز يحول التيار المتردد (التيار المتردد) إلى التيار المستمر (التيار المباشر). لذلك ، في هذه الحالة ، التيار المتردد هو الطاقة الناتجة عن الألواح الشمسية. يتم تحويل هذه الطاقة الشمسية إلى تيار متردد. السبب في تحويل التيار المباشر إلى تيار متناوب هو تمكين استخدام الطاقة بواسطة أجهزة منزلية مختلفة تمامًا بالطريقة التي تشغل بها أجهزتك الإلكترونية بالكهرباء العادية.

اعتبارات يجب وضعها في الاعتبار قبل تركيب الألواح الشمسية

قبل اتخاذ أي خطوة لتركيب لوح شمسي في منزلك ، تأكد من أن الطاقة الشمسية تناسبك ومنزلك. بعد ذلك ، تأكد من توفر ضوء الشمس الكافي في منطقتك. تختلف ملاءمة الطاقة الشمسية اختلافًا كبيرًا باختلاف كمية الشمس التي تتلقاها المنطقة. إذا كانت منطقتك لا تتلقى ما يكفي من ضوء الشمس ، فإن الاستثمار في الألواح الشمسية لن يكون أفضل سبب للعمل.

بعد التأكد من أن منطقتك تتلقى ضوءًا كافيًا من أشعة الشمس ، تأكد من توفر مساحة التثبيت. لقد تعلمنا أن الألواح الشمسية موضوعة بشكل جوهري على أسطح المباني. في حين أن هذا أمر جدير بالثناء ، إلا أنه ليس الخيار الوحيد. إذا كان لديك مساحة مفتوحة لتجنيبها في الفناء الخلفي الخاص بك ، فستكون مكانًا مثاليًا للتركيبات الأرضية. يعد خيار الفناء الخلفي مثاليًا لأولئك الذين تكون أسقفهم مظللة بشكل كبير أو ليست ضرورية من الناحية الهيكلية للألواح الشمسية. أيضًا ، من الأهمية بمكان معرفة القوانين المحلية المتعلقة بتركيب الألواح الشمسية لتجنب الوقوع في مشاكل مع السلطات المحلية. يمكنك الحصول على هذه المعلومات من مستشار الطاقة الشمسية المحلي

تأثير بيئي

على الرغم من أن الطاقة الشمسية تعتبر واحدة من أنظف مصادر الطاقة المتجددة من بين المصادر المتاحة ، إلا أن لها بعض التأثيرات البيئية أيضًا. تستخدم الطاقة الشمسية الخلايا الكهروضوئية لإنتاج الطاقة الشمسية. ومع ذلك ، فإن تصنيع الخلايا الكهروضوئية لإنتاج تلك الطاقة يتطلب السيليكون وإنتاج بعض النفايات. قد يؤدي التعامل غير المناسب مع هذه المواد إلى تعرض الإنسان والبيئة للخطر. قد يتطلب تركيب محطات الطاقة الشمسية قطعة كبيرة من الأرض ، مما قد يؤثر على النظم البيئية الحالية. لا تلوث الطاقة الشمسية الهواء عند تحويلها إلى كهرباء بواسطة الألواح الشمسية. يوجد بكثرة ولا يساعد في ظاهرة الاحتباس الحراري.

مستقبل الطاقة الشمسية

قبل الانغماس في أي نقاش حول مستقبل الطاقة الشمسية ، يجب علينا أولاً وضع بعض الحقائق في منظورها الصحيح:

إن تغير المناخ ظاهرة حقيقية وخطر كبير على البشر وأشكال الحياة الأخرى على كوكب الأرض.

إذا كنا جادين في الحد من مخاطر أطفالنا لتحمل وطأة الآثار الجسيمة لتغير المناخ ، فيجب أن نحتل المرتبة الأولى في تقليل معدل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري بنسبة 80٪ بحلول عام 2050. لأن 60٪ من الانبعاثات العالمية نتيجة لاستخدام الطاقة ، من واجبنا بدء تقنيات منخفضة الانبعاثات الكربونية على نطاق واسع بدءًا من اليوم.

الطاقة الشمسية هي أكبر مصدر للطاقة ، إلى حد بعيد

سواء كانت متجددة أم لا ، فإن مصادر الطاقة الأخرى بخلاف الطاقة الحرارية الأرضية والنووية والمد والجزر ، تنبع من ضوء الشمس. الوقود الأحفوري هو ببساطة طاقة شمسية مدمجة على مدى عقود (باستخدام بقايا الحيوانات والحياة النباتية) كبطاريات. يرجع أصل طاقة الأمواج والرياح إلى الطاقة الشمسية. من بين مصادر الطاقة منخفضة الانبعاثات الكربونية ، فإن الرياح والطاقة الشمسية وربما النووية فقط هي التي يمكنها تحقيق النشر على مستوى تيراواط (TW) المطلوب لتلبية الطلب المتزايد باستمرار على الطاقة.

هناك زيادة كبيرة في تقنيات الطاقة الشمسية الكهروضوئية.

تتوسع التكنولوجيا الكهروضوئية بشكل أسرع من أي تقنية طاقة. تضاعفت قدرة جميع الأجهزة الكهروضوئية المثبتة كل عامين منذ عام 2000 ، لتصل إلى 200 جيجاوات في العام 2014. ولا يظهر هذا النمو المتسارع أي علامة على التراجع. إذا كان النمو السريع للتقنيات الكهروضوئية بمثل هذه المعدلات غير العادية ، فإن الطاقة الشمسية ، دون أدنى شك ، ستلبي الطلب على الطاقة في العالم بأسره خلال العقد المقبل.

ومع ذلك ، فإن مستقبل الطاقة الشمسية ليس سوى مشرق بالنظر إلى الاقتصادات الكبيرة مثل الولايات المتحدة الأمريكية ، وتخصص الصين مليارات الدولارات لتطوير وتركيب تقنيات الطاقة الشمسية. أيضًا ، حقيقة أن الطاقة الشمسية مورد متجدد تجعلها جذابة لمعظم الحكومات التي تعمل على تقليص الاعتماد على الوقود الأحفوري.

طرق تحويل الطاقة الشمسية

تنبعث من الشمس كمية هائلة من الإشعاع. عندما نشير إلى أنواع الطاقة الشمسية فإننا نعني في الواقع الطرق المختلفة التي يتم من خلالها تحويل إشعاع الشمس إلى أشكال أخرى من الطاقة. يمكن تحويل أشعة الشمس مباشرة إلى كهرباء ، ويمكن تحويلها إلى حرارة ، ويمكن استغلالها عن طريق التفاعلات الكيميائية الحيوية. يمكن أيضًا استخدامه مباشرة للدباغة ، طالما كان المرء على دراية بالمخاطر.

التأثير الكهروضوئي | التحويل المباشر للكهرباء

التوليد المباشر للطاقة الكهربائية من أهم أنواع تحويل الطاقة الشمسية المعروفة. التأثير الكهروضوئي هو طريقة التحويل المباشر لإشعاع ضوء النهار (الفوتونات وجزيئات الضوء) إلى كهرباء (إلكترونات وجزيئات كهرباء). تُستخدم الألواح الشمسية على نطاق واسع لتوليد الطاقة الشمسية السكنية وكذلك لمحطات الطاقة على نطاق المرافق. يتم البحث عن طرق أفضل لإنتاج ألواح شمسية أكثر كفاءة اقتصاديًا من قبل الشركات والمعاهد البحثية.

تستخدم محطات الطاقة الكهربائية الكبيرة المرايا أو العدسات لتركيز المزيد من أشعة الشمس على الألواح الشمسية للحصول على المزيد من الطاقة الناتجة. المرايا (أو العدسات) تتعقب الشمس لأنها تغير موقعها في السماء

الطاقة الشمسية الحرارية | تحويل إشعاع الشمس إلى حرارة

يعتمد تحويل الإشعاع الشمسي إلى طاقة حرارية (تسخين الماء أو الهواء) على تأثير الاحتباس الحراري. يمر إشعاع الشمس في الطول الموجي المرئي عبر طبقة شفافة (زجاجية أو بلاستيكية) ، ثم تمتص في طبقة سوداء (مادة مطلية باللون الأسود) وتسخنها. يشع ممتص الصفيحة السوداء الطاقة الممتصة في أطوال موجات الأشعة تحت الحمراء (ما نشعر به نحن البشر على أنه حرارة) باتجاه الطبقة الزجاجية. ومع ذلك ، فإن الزجاج ليس شفافًا للأشعة تحت الحمراء ويتم احتجاز الحرارة ويمكن نقلها إلى الماء أو الهواء

بالنسبة لتطبيقات الطاقة المنزلية ، تُستخدم مبادئ الحرارة الشمسية في سخانات المياه بالطاقة الشمسية ، وفي سخانات المسابح الشمسية وتدفئة المساحات الشمسية.

تستخدم محطات الطاقة الكهربائية الكبيرة الطاقة الشمسية لتوليد البخار ، وأبخرة الماء ذات درجة الحرارة العالية / الضغط العالي لتشغيل المولدات الكهربائية البخارية.

تحويل ضوء الشمس الكيميائي الحيوي

من بين الأنواع المختلفة لتحويل الطاقة الشمسية ، هناك نوع تدعمه الطبيعة لمليارات السنين. التمثيل الضوئي هو تفاعل بيولوجي كيميائي معروف. تستخدم معظم أشكال الحياة النباتية عملية التمثيل الضوئي. توفر الشمس الطاقة اللازمة لمعالجة الماء وثاني أكسيد الكربون في تفاعل ينتج الكربوهيدرات. يُطلق منتج ثانوي الأكسجين الذي تستخدمه الحيوانات في عملية التمثيل الغذائي للاحتراق الداخلي. يتم إجراء الكثير من الأبحاث لتقليد التمثيل الضوئي في بيئة من صنع الإنسان أو لاستخدام الطحالب لإنتاج الوقود.

ضوء النهار الطبيعي

غالبًا ما يتم إهماله ، يمكن أن يوفر التصميم السليم للمبنى الكثير من الأموال التي يتم إنفاقها على الإضاءة الاصطناعية عن طريق ترك ضوء النهار الطبيعي للمبنى. من بين أنواع الطاقة الشمسية ، يتم توفير ضوء النهار الطبيعي بسخاء من الطبيعة الأم. يمكن أن يؤدي استخدام النوافذ والمناور الكبيرة الحجم إلى توفير الحاجة إلى الإضاءة الاصطناعية. هل تعلم أن الأنابيب الشمسية يمكنها أن تجلب الضوء إلى الغرف التي لا تحتوي على نوافذ؟

محطات توليد الطاقة على نطاق المرافق

مولدات الطاقة الشمسية السكنية عادة لا تزيد عن 5 كيلو واط. المباني العامة (المدارس والمكاتب العامة والحكومية) وكذلك مكاتب قطاع الأعمال مولدات الطاقة الشمسية عادة لا تزيد عن 50 كيلوواط. تهيمن الألواح الكهربائية الشمسية حتى 50 كيلو وات على مشهد السوق

نطاق الطاقة الخارجة من 100 كيلوواط إلى 1 ميجاوات نموذجي للمجتمعات التي تولد الكهرباء الخاصة بها ، وغالبًا ما يتم دمج هذه المحطات الشمسية مع توربينات الرياح والتوربينات البخارية الصغيرة التقليدية

تستخدم محطات توليد الطاقة على نطاق المرافق أنواعًا من الطاقة الشمسية مثل الطاقة الشمسية الضوئية المركزة (التكنولوجيا الكهروضوئية) أو هيليوستات. هيليوستات هي مرايا تتبع الشمس وتعكس ضوء الشمس على مجمع مركزي. عادة ما يتم ترتيب الهليوستات في مصفوفة حول برج. يتم تركيب المجمع على البرج وينتج بخارًا عند درجة حرارة عالية وضغط مرتفع لتشغيل التوربينات البخارية

هناك حدان لمحطات الطاقة الشمسية هما:

تستهلك محطة الطاقة الشمسية مساحة كبيرة من الأرض وهي أكثر كفاءة في المناطق المشمسة ؛ هذه الأرض المشمسة متوفرة في منطقة صحراوية بعيدة عن المستهلكين. لذلك ، يجب بناء خطوط طاقة جديدة فائقة الجهد ، وهي عملية طويلة ومكلفة تثير الكثير من الاعتراضات من قبل دعاة حماية البيئة وأصحاب الأراضي.

لا توجد حتى الآن تقنية واسعة النطاق لتخزين الطاقة الكهربائية المنتجة خلال ساعات النهار واستخدامها بعد غروب الشمس. تعتبر الهليوستات واعدة أكثر لأن تقنيات تخزين الحرارة أكثر نضجًا.

نوعا الطاقة الشمسية.

تقوم التكنولوجيا الكهروضوئية بتحويل ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباء. تسخر التكنولوجيا الحرارية الشمسية حرارتها. تستفيد هذه التقنيات المختلفة من طاقة الشمس ، محليًا وفي مزارع الطاقة الشمسية على نطاق واسع.

تم استخدام الطاقة الشمسية الكهروضوئية لأول مرة صناعيًا في فرنسا في عام 1954 الشمس هي أحد أنظمة دعم الحياة على الأرض ، مثل الماء والهواء ، حيث توفر الحرارة والضوء. توفر الطاقة الشمسية ، المتجددة والنظيفة والمتاحة على نطاق واسع ، طاقة كافية لتلبية احتياجات الاستهلاك السنوي في العالم كل 50 دقيقة. التحدي هو جمع حصة - مهما كانت صغيرة - من هذه الحرارة والطاقة المشعة.

تم تطوير تقنيتين رئيسيتين لتسخيرها:

تكنولوجيا الطاقة الشمسية الكهروضوئية ، والتي تحول ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباء باستخدام ألواح مصنوعة من خلايا أشباه الموصلات.
تكنولوجيا الطاقة الشمسية الحرارية التي تلتقط حرارة الشمس. يتم استخدام هذه الحرارة بشكل مباشر أو تحويلها إلى طاقة ميكانيكية وبالتالي الكهرباء ، والمعروفة باسم الطاقة الشمسية المركزة. يتم استخدام هذه الحرارة مباشرة (حرارة شمسية منخفضة الحرارة) أو تحويلها إلى طاقة ميكانيكية وبدورها كهرباء (طاقة شمسية مركزة - CSP).
يتم استخدام نوعين مختلفين من التركيبات:

أنظمة فردية للمنازل أو المجتمعات الصغيرة. يمكن للألواح الكهروضوئية تشغيل الأجهزة الكهربائية ، في حين أن المجمعات الحرارية الشمسية يمكنها تدفئة المنازل أو الماء الساخن (انظر الصورة المقربة: "الطاقة الشمسية ، مصدر طاقة غير محدود ، يمكن الوصول إليه عالميًا").
تنتج محطات الطاقة الشمسية الكهروضوئية أو المركزة التي تغطي مئات الأفدنة الكهرباء على نطاق واسع ، والتي يمكن تغذيتها في شبكات الطاقة.
الطاقة الشمسية هي واحدة من أكثر الطاقات المتجددة جاذبية بسبب مرونتها - قدرتها على تشغيل المدن والصناعة باستخدام محطات الطاقة الشمسية الكبيرة بينما تقدم في نفس الوقت قدرة قائمة بذاتها في المناطق الريفية الأكثر عزلة.

الطاقة الشمسية الكهروضوئية

يحول التأثير الكهروضوئي (أو التأثير الكهروضوئي) الضوء إلى كهرباء. اكتشفه الفيزيائي الفرنسي إدموند بيكريل في عام 1839 واستخدم لأول مرة في التطبيقات الصناعية في عام 1954. المبدأ: يحدث التيار الكهربائي عند إزاحة الإلكترونات. ولكي يحدث هذا ، تثير الفوتونات (جزيئات الضوء) الإلكترونات الخارجية لذرات بعض عناصر أشباه الموصلات.

في الممارسة العملية ، يتم تحويل الضوء الذي يصطدم بالخلية الكهروضوئية إلى كهرباء بواسطة أشباه الموصلات ، وهي السيليكون عمومًا. تتكون اللوحة الكهروضوئية من عدة خلايا تنتج تيارًا مباشرًا ، ثم يتم تحويله إلى تيار متناوب بواسطة عاكس.
يمكن استخدام الألواح في الأنظمة الصغيرة أو المصانع الكبيرة.

طاقة حرارية شمسية منخفضة الحرارة

تنتج تقنية الطاقة الحرارية الشمسية ذات درجات الحرارة المنخفضة حرارة من أشعة الشمس وتستخدمها بشكل مباشر. تعمل في درجات حرارة أقل من 100 درجة مئوية ، وتخدم التركيبات السكنية والتجارية (الماء الساخن والتدفئة) بالإضافة إلى مجموعة متنوعة من الاحتياجات الصناعية. تمثل هذه التكنولوجيا نصيب الأسد من الطاقة الشمسية المولدة في جميع أنحاء العالم (انظر الصورة المقربة: "الطاقة الشمسية في مزيج الطاقة العالمي").

50 دقيقة
الوقت الذي تستغرقه الشمس لتوفير ما يعادل استهلاك الطاقة السنوي في العالم.


تستخدم المجمعات الحرارية الشمسية لامتصاص الحرارة من أشعة الشمس ونقلها إلى سائل نقل الحرارة ، مثل الهواء أو الماء أو التجمد ، والذي بدوره ينقلها إلى المناطق المراد تسخينها.



الأكثر انتشارًا هي مجمعات الألواح المسطحة ، والتي تتكون من مساحة سطحية مظلمة تمتص أشعة الشمس وطبقة من العزل الحراري تعلوها صفيحة من الزجاج تولد تأثير الاحتباس الحراري. تعمل المجمعات في درجة حرارة تصل إلى 70 درجة مئوية فوق درجة الحرارة المحيطة. هناك أيضًا مجمعات الهواء الحرارية الشمسية ، والتي تستخدم لتجفيف المحاصيل الزراعية ، على سبيل المثال ، والأنظمة غير المزججة المصنوعة من المطاط أو البلاستيك ، بدلاً من الغطاء الزجاجي ، والتي تستخدم بشكل أساسي لتسخين حمامات السباحة. مجمعات الأنابيب المفرغة هي الأنسب للاستخدامات الصناعية ذات درجات الحرارة العالية ، مثل تنظيف المسالخ أو بسترة البضائع المعلبة. إنها مصنوعة من أنابيب زجاجية مفرغة من أجل عزل حراري مثالي. في الداخل ، يلتقط جهاز الامتصاص الطاقة الشمسية وينقلها إلى سائل.

الطاقة الشمسية المركزة

يركز هذا النوع الثاني من تكنولوجيا الطاقة الشمسية الحرارية على دفء أشعة الشمس باستخدام المجمعات لتسخين سائل النقل (الغاز أو الزيت أو الملح المصهور ، على سبيل المثال) إلى درجة حرارة عالية. يقوم السائل بتسخين شبكة من المياه ، مما ينتج البخار ويدفع التوربينات (طاقة ميكانيكية) ، وبالتالي توليد الكهرباء.

يتم جمع الحرارة من أشعة الشمس في محطات توليد الطاقة الكبيرة حيث يتم تثبيت المرايا المسطحة أو المنحنية على مساحات شاسعة. التكنولوجيا هي الأنسب للبلدان التي يكون فيها ضوء الشمس شديدًا ، على سبيل المثال في المناطق الصحراوية. (انظر عن قرب: "محطات الطاقة الشمسية المركزة").

تكنولوجيا الطاقة الشمسية

على الرغم من أن الشمس هي المصدر النهائي لمعظم أشكال الطاقة (انظر الإطار) ، فإن مصطلح الطاقة الشمسية يُستخدم عمومًا للإشارة إلى طرق تجميع الضوء وتحويله مباشرة إلى شكل مفيد من أشكال الطاقة. تقنيات مثل:

الكسب السلبي للطاقة الشمسية
الطاقة الشمسية الحرارية (للتدفئة)
الطاقة الشمسية المركزة (للكهرباء)
الخلايا الكهروضوئية الشمسية (كهرباء)
المصدر النهائي للطاقة ...
الطاقة الكهرومائية: تعمل الحرارة المنبعثة من الشمس على تبخير الماء ، الذي يسقط كمطر في الأماكن المرتفعة ، ثم يتدفق إلى السد ويدفع التوربينات التي تولد الكهرباء.

طاقة الرياح: تنتج الرياح عن الاختلافات في درجات الحرارة الناتجة عن التسخين من الشمس.

قوة الأمواج: تقودها الريح.

الطاقة الشمسية: يتحول الضوء مباشرة إلى طاقة مفيدة.

مضخات الحرارة: تستخرج الحرارة الممتصة من الشمس عن طريق الهواء أو الماء أو الأرض الضحلة.

الكتلة الحيوية: (مادة نباتية مثل الخشب). تحول النباتات ثاني أكسيد الكربون والماء إلى كربوهيدرات (مخزن كيميائي للطاقة) باستخدام الطاقة الضوئية لدفع العملية.

الوقود الأحفوري: البنزين والغاز والنفط هي ببساطة كتلة حيوية تعرضت لضغوط كبيرة تحت الأرض لآلاف السنين.

استثناءات من القاعدة: الانشطار النووي (تفاعل تسلسلي معتدل يقسم النظائر المشعة المستخرجة من قشرة الأرض) ، قوة المد والجزر (مدفوعة بالمدار وقوى الجاذبية للقمر) ، الطاقة الحرارية الأرضية العميقة (تركت فوق الحرارة من تكوين الأرض ، بالإضافة إلى النشاط الإشعاعي الاضمحلال) والاندماج النووي (كما هو الحال في الشمس ولكن لا يزال من الصعب ترتيبها على الأرض)

اكتساب الطاقة الشمسية السلبية

كيف يعمل اكتساب الطاقة الشمسية السلبية
غالبًا ما يتم اعتبار هذا الشكل من الطاقة أمرًا مفروغًا منه ؛ ولكن يمكن أن تساهم بقدر كبير من متطلبات الطاقة لمبنى جيد التصميم في موسم التدفئة. يدخل ضوء الشمس المبنى من خلال النوافذ ويدفئ الداخل. في منزل متوسط ​​في المملكة المتحدة ، يساهم مكاسب الطاقة الشمسية السلبية بنسبة 14٪ من الطلب على التدفئة.

يمكن أن يؤدي التصميم المدروس إلى تحسين هذا الرقم بشكل أكبر مع زيادة طفيفة جدًا ، إن وجدت ، في تكلفة بناء العقار:

توجيه المنزل بحيث تواجه الغرف الأكثر استخدامًا الجنوب ؛
نوافذ أكبر على الجانب الجنوبي ، أصغر في الشمال ؛
استخدام مواد البناء التي تخزن الحرارة عن طريق إضافة "الكتلة الحرارية" للمنزل و
وضع المشاريع السكنية بحيث لا تطغى المباني على بعضها البعض
يجب توخي الحذر لتجنب التسبب في ارتفاع درجة الحرارة في الصيف من خلال توفير الكثير من الزجاج ، يمكن أن توفر تدابير مثل الطنف المتدلي و brise-Soleil الظل في أشهر الصيف (عندما تكون الشمس عالية في السماء) ، مع السماح للضوء في المبنى في موسم التدفئة (عندما تكون الشمس منخفضة في السماء).

يمكن أن يوفر التصميم الشمسي السلبي المحسّن للغاية 40٪ من حمل تدفئة المساحات للممتلكات.

الطاقة الشمسية الحرارية

نظام تسخين المياه بالطاقة الشمسية
اللوح الحراري الشمسي هو ببساطة سطح أسود يمتص الضوء ، ويسخن وينقل الحرارة إلى سائل عامل. يمكن أن تكون غير مزججة أو مزججة. يمكن أن تكون الألواح الزجاجية مسطحة ، أو تتكون من مجموعة من الأنابيب الزجاجية. يقوم مائع العمل بنقل الحرارة إلى مكان يكون مفيدًا فيه - ربما مخزن ماء ساخن أو حمام سباحة أو مباشرة إلى تدفئة مكان لمبنى.

لا تتطلب الألواح ذات المستويات الأعلى من العزل ، مثل الغطاء الزجاجي أعلاه والعزل الحراري من الخلف ، أشعة الشمس المباشرة للعمل وستجمع الحرارة في يوم غائم. الأكثر شيوعًا ، يتم استخدام الطاقة لتوفير تطبيقات درجات الحرارة المنخفضة مثل الماء الساخن للغسيل ، وتدفئة المساحات ، وتغذية الحرارة في شبكات التدفئة المركزية أو توفير الحرارة للعمليات الصناعية.

في السنوات الأخيرة ، تم إحراز تقدم في استخدام الحرارة من الألواح الحرارية الشمسية كمدخل للطاقة لتشغيل محطة تكييف الهواء ، على الرغم من أن هذه التطبيقات لا تزال تجريبية إلى حد كبير في طبيعتها.

الطاقة الشمسية المركزة

تركيز النظام الشمسي
إذا كانت أشعة الشمس تتركز بواسطة المرايا ، فيمكن إنشاء درجات حرارة أعلى بكثير. يتركز الضوء على نقطة مركزية بسائل ناقل مثل الزيت الذي يتدفق من خلاله. يسخن الزيت حتى حوالي 400 درجة مئوية ، وهو ساخن بدرجة كافية لتسخين المياه وصنع بخار عالي الضغط يمكنه تشغيل التوربينات وتوليد الكهرباء.

المكثفات الشمسية تعمل فقط في ضوء الشمس المباشر. المرآة مثبتة على دعامة يمكن أن تدور لتتبع الشمس أثناء تحركها طوال اليوم ، مما يزيد من التعقيد والتكلفة. لهذا السبب ، يتم استخدامها فقط في المناطق التي تستفيد من مناخ مشمس ، مع المزيد من أيام السماء الصافية.

تركز المشاريع على مستوى المرافق في بلدان مثل إسبانيا الضوء من مجالات كاملة من المرايا على برج (صورة).

الطاقة الشمسية الكهروضوئية

وجدت الخلايا الكهروضوئية (PV) ، التي تحول الضوء مباشرة إلى كهرباء ، تطبيقًا لأول مرة في الفضاء قبل أن تصبح شائعة على أجهزة مثل الآلات الحاسبة والساعات ، كما توفر الطاقة للمواقع دون اتصال بشبكة الكهرباء. مع انخفاض التكاليف وارتفاع كفاءات المواد الكهروضوئية ، قدمت الحكومات (لا سيما تلك الموجودة في ألمانيا والصين) دعمًا سخيًا التي شهدت ارتفاع مستويات انتشار الطاقة الشمسية. أدت كفاءات الحجم والمنافسة العالمية الشرسة إلى انخفاض التكلفة ، مما أدى إلى إنشاء دائرة حميدة من انخفاض الأسعار مما أدى إلى ارتفاع مستويات الطلب مما أدى بدوره إلى انخفاض الأسعار التي كانت السمة المميزة للصناعة في السنوات الأخيرة. وصلت الطاقة الشمسية الكهروضوئية الآن إلى نقطة حيث بدون دعم يمكنها التنافس مع تكلفة التجزئة للكهرباء في الاقتصادات المتقدمة ، ومع الكهرباء بالجملة في المناخات المشمسة.

تستخدم التقنية الأكثر شيوعًا رقاقات رقيقة من مواد أشباه الموصلات السيليكونية ، متصلة في سلسلة في لوحة أو وحدة فلطائية ضوئية.

يجب تحويل الكهرباء الحالية المباشرة (DC) التي تنتجها الألواح الشمسية الكهروضوئية إلى تيار متردد (AC) للتطبيقات المتصلة بالشبكة. يؤدي العاكس الشمسي هذه الحيلة ، مما يتيح تصدير أي طاقة تزيد عن الطلب المحلي إلى الشبكة واستخدامها