Skip to main content
Global

19.3: אנרגיה סולארית

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    209291

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    אנרגיה סולארית מתייחסת לחום או לאנרגיית אור מהשמש. אנרגיה סולארית היא ללא ספק הסוג הנפוץ ביותר של אנרגיה מתחדשת, המועברת אל פני כדור הארץ בקצב של 120,000 טרה-וואט (TW) לשעה, בהשוואה לשימוש האנושי העולמי של 19.8 TW בכל שנת 2019. כדי לשים זאת בפרספקטיבה, כיסוי של 1.2% ממדבר סהרה באמצעות פאנלים סולאריים יכול לענות על צרכי האנרגיה של כדור הארץ. כמובן, זה לא מחשיב מגבלות על קיבולת האחסון ואת היכולת להפיץ את האנרגיה.

    טכנולוגיות לרתום אנרגיה סולארית עשויות להיות פסיביות או אקטיביות. טכנולוגיות סולאריות פסיביות אינן דורשות ציוד מורכב ויכולות להיות פשוטות כמו שימוש באור טבעי מחלון או צוהר כדי להאיר חדר (איור\(\PageIndex{a}\)). באופן דומה, צינורות סולאריים מרופדים בחומר רפלקטיבי ויכולים לרכז אנרגיית אור כדי להאיר טוב יותר חדר (איור\(\PageIndex{a}\)). אלה מוטבעים בתקרה כפי שיהיו גופי תאורה רגילים.

    צוהר נראה כמו חלון פתוח מעט בתקרהEfficiencySkylights1200.jpg
    איור\(\PageIndex{a}\): חלונות ראווה וצינורות סולאריים (מכשירי תאורת יום צינוריים, TDD). בעוד חלונות צוהר דומים לחלונות המותקנים בתקרה, צינורות סולאריים משתמשים בעדשות ובטנה רפלקטיבית כדי לרכז את אור השמש, ומספקים תאורה בהירה לחלקים כהים יותר של הבית. מה הופך צוהר לחסכוני באנרגיה? חלונות ראווה מסורתיים הם צוהר המשתמשים באותן טכנולוגיות כמו חלונות, אך טכנולוגיות אלה יקרות עוד יותר עבור חלונות צוהר, המקבלים שמש ישירה בקיץ והפרשי טמפרטורה גדולים יותר בחוץ/בפנים בחורף. מכשירי תאורת יום צינוריים אוספים אור שמש בגג ומעבירים אותו לעדשה מפוזרת המותקנת במשטח פנימי, בדרך כלל תקרה. האור הטבעי מ-TDD יכול להאיר ארונות, חדרי אמבטיה, מסדרונות או חללים אחרים שבדרך כלל לא תהיה להם גישה לאור השמש, מה שמקטין את הצורך בתאורה חשמלית. תמונה שמאלית של משרד האנרגיה האמריקאי (נחלת הכלל), ותמונה ימנית של Energy Star (נחלת הכלל).

    אנרגיה סולארית יכולה לשמש גם כחום, אותו ניתן למקסם באמצעות ארכיטקטורה זהירה (איור\(\PageIndex{b}\)). ראשית, הבניין דורש חלונות הפונים דרומה (או דלתות זכוכית). כאשר אור השמש עובר באזורים אלה, האנרגיה מאוחסנת במסה התרמית של הבניין. הכוונה לחומרים ללכידת חום כמו סלע או אריחים. הבניין מתוכנן גם כך שהחום מופץ אז ברחבי הבניין. לבסוף, גגות גג או מבנים דומים חוסמים את כניסת אור השמש לבית במהלך הקיץ.

    קטע של בית המציג את שמש החורף הנכנסת דרך חלונות וכן ספיגה והפצה.
    איור\(\PageIndex{b}\): עיצוב בניין זה משתמש בשמש לחימום במהלך החורף ולכן הוא טכנולוגיה סולארית פסיבית. חיפוי הגג משמש כבקרה, וחוסם את שמש הקיץ הגבוהה יותר תוך שהוא מאפשר לאור השמש החורפי התחתון לעבור דרך החלון (צמצם). אנרגיית חום מהשמש מופצת אז בבניין. מסה תרמית (כגון אריח או רצפת אבן) סופגת ומשחררת מאוחר יותר אנרגיית חום. תמונה מאת משרד האנרגיה האמריקאי (נחלת הכלל).

    דוד שמש פשוט הוא טכנולוגיה פסיבית המורכבת מרשת צינורות המחוממים על ידי השמש (איור\(\PageIndex{c}\)). המים החמים מועברים לאחר מכן דרך השמנמנה של בית. (כמה דודי שמש מורכבים יותר, באמצעות משאבות, ולכן נחשבים לטכנולוגיות סולאריות פעילות.)

    לדוד שמש יש מיכל גלילי בחלקו העליון ושורות צינורות הפועלות אליו באלכסון.
    איור\(\PageIndex{c}\): דוד שמש. תמונה מאת ויג'יאנאראסימהה/פיקסביי (נחלת הכלל).

    טכנולוגיות סולאריות אקטיביות מורכבות יותר. לדוגמה, פאנלים סולאריים משתמשים באנרגיית אור לייצור חשמל (איור\(\PageIndex{d}\)). זה קורה ביחידות של פאנל סולארי, אשר נקראים תאים photovoltaic (תאים PV; איור\(\PageIndex{e}\)). כל תא פוטו-וולטאי מורכב משתי שכבות של מוליכים למחצה, חומרים המוליכים חשמל רק בנסיבות מסוימות. (לעומת זאת, מוליכים מוליכים תמיד חשמל, ומבודדים לא.) למוליך למחצה אחד יש אלקטרונים נוספים, אך לשני יש רווחים נוספים לאלקטרונים. כאשר האור מאיר על התא הפוטו-וולטאי, הוא גורם לאלקטרונים לנוע בין שכבות מוליכים למחצה דרך המוליך המחבר ביניהם (כגון חוטי מתכת או צלחות). תנועה זו גורמת לזרם חשמלי.

    מתקנים סולאריים על הגג הם לוחות כהים ושטוחים ובתוכם תאים קטנים יותר. הנוף העירוני נראה ברקע.
    איור\(\PageIndex{d}\): להתקנה סולארית על הגג בדאגלס הול באוניברסיטת אילינוי בשיקגו אין השפעה על משאבי הקרקע, תוך ייצור חשמל עם אפס פליטות. מקור: משרד הקיימות, UIC
    תא פוטו-וולטאי מציג זכוכית, שתי שכבות מוליכים למחצה ותנועת אלקטרונים.
    איור\(\PageIndex{e}\): תרשים של תא פוטו-וולטאי המורכב משתי שכבות של מוליכים למחצה. למוליך למחצה העליון (מסוג n) יש אלקטרונים נוספים ולמוליך למחצה התחתון (מסוג p) יש נקודות נוספות (חורים) לאלקטרונים. צומת מחלק את שתי השכבות הללו. האור משחרר את האלקטרונים ומאפשר להם לנוע דרך חוט מסוג n כדי למלא "חורי אלקטרונים" במוליך למחצה מסוג p. תנועת האלקטרונים דרך החוט גורמת לזרם חשמלי. תמונה מאת מינהל המידע לאנרגיה בארה"ב (נחלת הכלל).

    סרטון זה מסביר כיצד התאים הפוטו-וולטאיים בתוך פאנלים סולאריים מייצרים חשמל.

    דוגמה נוספת לטכנולוגיה סולארית פעילה היא טכנולוגיה תרמית סולארית. זה כרוך בשימוש בסדרת מראה לריכוז אנרגיה סולארית, ובסופו של דבר לייצר קיטור. משם, הקיטור הופך טורבינה ומפעיל גנרטור (איור\(\PageIndex{f}\)).

    מראות משקפות אור שמש לצינורות נוזלים. זה מחמם לולאת מים המייצרת קיטור, מפעילה גנרטור.
    איור\(\PageIndex{f}\): בטכנולוגיה תרמית סולארית, (1) מראות או מחזירי אור מרכזים את קרני השמש כדי לחמם סוג מיוחד של נוזל, הסופג חום. (2) החום מנוזל זה מרתיח מים ליצירת קיטור, בהנחיית מחליף החום. (3) קיטור מסובב טורבינה המחוברת לגנרטור, היוצר חשמל. (4) הקיטור מתקרר ומתעבה בחזרה למים, הממוחזרים, מחוממים מחדש והופכים שוב לאדים. תמונה וכיתוב (שונה) מ - EPA (נחלת הכלל).

    לא רק שאנרגיה סולארית בשפע, אלא שהשימוש בפאנלים סולאריים לחשמל אינו מייצר זיהום אוויר או תורם לשינויי אקלים. (ייצור פאנלים סולאריים יכול לייצר זיהום מסוים, כולל פליטת גזי חממה, אך זה מינימלי בהשוואה לזה של דלקים מאובנים.) כמו אנרגיית רוח, הרחבות על אנרגיה סולארית יכולות ליצור מקומות עבודה ולהגביר כלכלות. כמו רוח, אור השמש הוא לסירוגין ואחסון האנרגיה הסולארית מוגבל על ידי קיבולת הסוללה. מיקומים מסוימים אינם מקבלים אור שמש ישיר באופן עקבי ואינם מתאימים לפאנלים סולאריים. בעוד שמבחינה היסטורית אנרגיה סולארית הייתה הצורה היקרה ביותר של אנרגיה מתחדשת, טכנולוגיות חדשות הורידו את עלותה.

    המיקום של פאנלים סולאריים קובע כיצד ההשפעה הסביבתית שלהם. מערכים סולאריים ממוקמים לרוב על גגות בניינים או מעל חניונים או משולבים בבנייה בדרכים אחרות. עם זאת, מערכות גדולות עשויות להיות ממוקמות ביבשה ובמיוחד במדבריות שבהן אותן מערכות אקולוגיות שבריריות עלולות להיפגע אם לא תיזהר. בנוסף, חוות סולאריות יכולות להתחרות על שטח חקלאי.

    חסרונות נוספים של אנרגיה סולארית הם צריכת מים (לשימושים מסוימים) וייצור פסולת מסוכנת. רשתות גדולות של מראות ועדשות המרכזות אנרגיה סולארית לייצור חשמל במערכות סולאריות תרמיות או לחימום יתכן שיהיה צורך לנקות באופן קבוע במים. מים נדרשים גם לקירור גנרטור הטורבינה. שימוש במים מבארות תת קרקעיות עשוי להשפיע על המערכת האקולוגית במקומות צחיחים מסוימים. ייצור תאים פוטו-וולטאיים מייצר פסולת מסוכנת מהכימיקלים והממסים המשמשים לעיבוד. חלק מהמערכות התרמיות הסולאריות משתמשות בנוזלים שעלולים להיות מסוכנים (להעברת חום) הדורשים טיפול וסילוק נאותים. עם זאת, אנרגיה גרעינית עולה על אנרגיה סולארית בצריכת מים וייצור פסולת מסוכנת.

    ייחוס

    שונה על ידי מליסה הא מהמקורות הבאים: