Skip to main content
Global

19.3: طاقة شمسية

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    169321

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

    تشير الطاقة الشمسية إلى الحرارة أو الطاقة الضوئية من الشمس. تعد الطاقة الشمسية إلى حد بعيد أكثر أنواع الطاقة المتجددة وفرة، حيث يتم توصيلها إلى سطح الأرض بمعدل 120 ألف تيراوات (TW) في الساعة، مقارنة بالاستخدام البشري العالمي البالغ 19.8 TW في عام 2019 بأكمله. ولوضع ذلك في منظوره الصحيح، فإن تغطية 1.2% من الصحراء الكبرى بألواح شمسية يمكن أن تلبي احتياجات الأرض من الطاقة. بالطبع، هذا لا يأخذ في الاعتبار القيود المفروضة على سعة التخزين والقدرة على توزيع تلك الطاقة.

    قد تكون تقنيات تسخير الطاقة الشمسية سلبية أو نشطة. لا تتطلب تقنيات الطاقة الشمسية السلبية معدات معقدة ويمكن أن تكون بسيطة مثل استخدام الضوء الطبيعي من نافذة أو كوة لإضاءة الغرفة (الشكل\(\PageIndex{a}\)). وبالمثل، فإن الأنابيب الشمسية مبطنة بمواد عاكسة ويمكنها تركيز الطاقة الضوئية لإضاءة الغرفة بشكل أفضل (الشكل\(\PageIndex{a}\)). هذه مدمجة في السقف كما ستكون مصابيح الإضاءة العادية.

    تبدو النافذة العلوية وكأنها نافذة مفتوحة قليلاً في السقفEfficiencySkylights1200.jpg
    الشكل\(\PageIndex{a}\): المناور والأنابيب الشمسية (أجهزة الإضاءة النهارية الأنبوبية، TDD). في حين أن المناور تشبه النوافذ المثبتة في السقف، تستخدم الأنابيب الشمسية العدسات والبطانة العاكسة لتركيز ضوء الشمس، مما يوفر إضاءة ساطعة للأجزاء الداكنة من المنزل. ما الذي يجعل السقف فعالاً في استخدام الطاقة؟ المناور التقليدية هي المناور التي تستخدم نفس تقنيات النوافذ، ولكن هذه التقنيات أكثر قيمة للمناور، التي تستقبل أشعة الشمس المباشرة في الصيف وتفاوتات أكبر في درجات الحرارة الخارجية/الداخلية في الشتاء. تقوم أجهزة الإضاءة النهارية الأنبوبية بتجميع ضوء الشمس على السطح ونقله إلى عدسة منتشرة مثبتة على سطح داخلي، عادة ما يكون السقف. يمكن للضوء الطبيعي من TDD إضاءة الحجرات أو الحمامات أو الممرات أو المساحات الأخرى التي لا يمكنها عادةً الوصول إلى ضوء الشمس، مما يقلل من الحاجة إلى الإضاءة الكهربائية. الصورة اليسرى من قبل وزارة الطاقة الأمريكية (المجال العام)، والصورة اليمنى من Energy Star (المجال العام).

    يمكن أيضًا استخدام الطاقة الشمسية كحرارة، والتي يمكن زيادتها إلى أقصى حد من خلال الهندسة المعمارية الدقيقة (الشكل\(\PageIndex{b}\)). أولاً، يتطلب المبنى نوافذ مواجهة للجنوب (أو أبواب زجاجية). عندما يمر ضوء الشمس عبر هذه المناطق، يتم تخزين الطاقة في الكتلة الحرارية للمبنى. يشير هذا إلى مواد محاصرة الحرارة مثل الصخور أو البلاط. تم تصميم المبنى أيضًا بحيث يتم توزيع الحرارة في جميع أنحاء المبنى. أخيرًا، تمنع حواف السقف أو الهياكل المماثلة ضوء الشمس من دخول المنزل خلال فصل الصيف.

    مقطع من منزل يُظهر دخول شمس الشتاء من خلال النوافذ بالإضافة إلى الامتصاص والتوزيع.
    الشكل\(\PageIndex{b}\): يستخدم تصميم المبنى هذا الشمس للتدفئة خلال فصل الشتاء وبالتالي فهو تقنية شمسية سلبية. يعمل السقف المتدلي كعنصر تحكم، حيث يحجب أشعة الشمس في الصيف بينما يسمح لأشعة الشمس الشتوية السفلية بالمرور عبر النافذة (الفتحة). ثم يتم توزيع الطاقة الحرارية من الشمس في المبنى. تمتص الكتلة الحرارية (مثل البلاط أو الأرضية الحجرية) الطاقة الحرارية ثم تطلقها لاحقًا. الصورة من قبل وزارة الطاقة الأمريكية (المجال العام).

    سخان المياه الشمسي البسيط هو تقنية سلبية تتكون من شبكة من الأنابيب التي يتم تسخينها بواسطة الشمس (الشكل\(\PageIndex{c}\)). ثم يتم نقل الماء الساخن من خلال نفخ المنزل. (بعض سخانات المياه بالطاقة الشمسية أكثر تعقيدًا، حيث تستخدم المضخات، وبالتالي تعتبر تقنيات شمسية نشطة.)

    يحتوي سخان المياه الشمسي على خزان أسطواني في الأعلى وصفوف من الأنابيب التي تعمل بشكل قطري عليه.
    الشكل\(\PageIndex{c}\): سخان مياه بالطاقة الشمسية. الصورة من فيجاياناراسيمها/بيكساباي (المجال العام).

    تقنيات الطاقة الشمسية النشطة أكثر تعقيدًا. على سبيل المثال، تستخدم الألواح الشمسية الطاقة الضوئية لتوليد الكهرباء (الشكل\(\PageIndex{d}\)). يحدث هذا في وحدات الألواح الشمسية، والتي تسمى الخلايا الكهروضوئية (الخلايا الكهروضوئية؛ الشكل\(\PageIndex{e}\)). تتكون كل خلية كهروضوئية من طبقتين من أشباه الموصلات، وهي مواد تقوم بتوصيل الكهرباء فقط في ظل ظروف معينة. (في المقابل، تقوم الموصلات دائمًا بتوصيل الكهرباء، والعوازل لا تفعل ذلك.) يحتوي أحد أشباه الموصلات على إلكترونات إضافية، بينما يحتوي الآخر على مساحات إضافية للإلكترونات. عندما يضيء الضوء على الخلية الكهروضوئية، فإنه يتسبب في انتقال الإلكترونات من بين طبقات أشباه الموصلات عبر الموصل الذي يربطها (مثل الأسلاك المعدنية أو الألواح). ينتج عن هذه الحركة تيار كهربائي.

    التركيبات الشمسية الموجودة على السطح عبارة عن ألواح داكنة ومسطحة بداخلها خلايا أصغر. يمكن رؤية منظر المدينة في الخلفية.
    الشكل\(\PageIndex{d}\): تركيب الطاقة الشمسية على السطح في دوغلاس هول في جامعة إلينوي في شيكاغو ليس له أي تأثير على موارد الأرض، بينما ينتج الكهرباء بدون انبعاثات. المصدر: مكتب الاستدامة، UIC
    تُظهر الخلية الكهروضوئية الزجاج وطبقتين من أشباه الموصلات وحركة الإلكترونات.
    الشكل\(\PageIndex{e}\): رسم تخطيطي لخلية كهروضوئية تتكون من طبقتين من أشباه الموصلات. تحتوي أشباه الموصلات العلوية (من النوع n) على إلكترونات إضافية بينما تحتوي أشباه الموصلات السفلية (p-type) على نقاط (ثقوب) إضافية للإلكترونات. يقسم التقاطع هاتين الطبقتين. يحرر الضوء الإلكترونات ويسمح لها بالتحرك عبر سلك من النوع n لملء «ثقوب الإلكترون» في أشباه الموصلات من النوع p. تؤدي حركة الإلكترونات عبر السلك إلى تيار كهربائي. الصورة من إدارة معلومات الطاقة الأمريكية (المجال العام).

    يشرح هذا الفيديو كيف تولد الخلايا الكهروضوئية داخل الألواح الشمسية الكهرباء.

    ومن الأمثلة الأخرى على تكنولوجيا الطاقة الشمسية النشطة تكنولوجيا الطاقة الشمسية الحرارية. يتضمن ذلك استخدام سلسلة من المرايا لتركيز الطاقة الشمسية، مما يؤدي في النهاية إلى توليد البخار. من هناك، يقوم البخار بتشغيل التوربين وتشغيل المولد (الشكل\(\PageIndex{f}\)).

    تعكس المرايا ضوء الشمس في أنابيب السائل. يؤدي ذلك إلى تسخين حلقة من الماء تولد البخار، مما يؤدي إلى تشغيل المولد.
    الشكل\(\PageIndex{f}\): في التكنولوجيا الحرارية الشمسية، (1) تقوم المرايا أو العاكسات بتركيز أشعة الشمس لتسخين نوع خاص من السوائل التي تمتص الحرارة. (2) الحرارة من هذا السائل تغلي الماء لتوليد البخار، ويسهله المبادل الحراري. (3) يقوم البخار بتدوير التوربين المتصل بمولد، مما ينتج الكهرباء. (4) يبرد البخار ويتكثف مرة أخرى إلى الماء، الذي يتم إعادة تدويره وإعادة تسخينه وتحويله إلى بخار مرة أخرى. الصورة والتعليق (تم تعديلهما) من EPA (المجال العام).

    لا يقتصر الأمر على وفرة الطاقة الشمسية فحسب، بل إن استخدام الألواح الشمسية للكهرباء لا يؤدي إلى تلوث الهواء أو يساهم في تغير المناخ. (يمكن أن يولد تصنيع الألواح الشمسية بعض التلوث، بما في ذلك انبعاثات غازات الاحتباس الحراري، ولكن هذا ضئيل مقارنة بالوقود الأحفوري.) مثل طاقة الرياح، يمكن للتوسعات في الطاقة الشمسية خلق فرص عمل وتعزيز الاقتصادات. مثل الرياح أيضًا، يكون ضوء الشمس متقطعًا وتخزين الطاقة الشمسية محدود بسعة البطارية. لا تتلقى بعض المواقع أشعة الشمس المباشرة باستمرار وهي غير مناسبة للألواح الشمسية. في حين أن الطاقة الشمسية كانت تاريخيًا أغلى شكل من أشكال الطاقة المتجددة، فقد خفضت التقنيات الجديدة تكلفتها.

    يحدد وضع الألواح الشمسية كيفية تأثيرها على البيئة. غالبًا ما يتم وضع المصفوفات الشمسية على أسطح المباني أو فوق مواقف السيارات أو دمجها في البناء بطرق أخرى. ومع ذلك، قد يتم وضع أنظمة كبيرة على الأرض وخاصة في الصحاري حيث يمكن أن تتضرر تلك النظم البيئية الهشة إذا لم يتم توخي الحذر. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تتنافس مزارع الطاقة الشمسية على المساحات الزراعية.

    ومن الجوانب السلبية الأخرى للطاقة الشمسية استهلاك المياه (لبعض الاستخدامات) وتوليد النفايات الخطرة. قد تحتاج الشبكات الكبيرة من المرايا والعدسات التي تركز الطاقة الشمسية لتوليد الكهرباء في الأنظمة الشمسية الحرارية أو للتدفئة إلى التنظيف بانتظام بالماء. هناك حاجة أيضًا إلى الماء لتبريد مولد التوربينات. قد يؤثر استخدام المياه من الآبار الجوفية على النظام البيئي في بعض المواقع القاحلة. ينتج عن تصنيع الخلايا الكهروضوئية بعض النفايات الخطرة من المواد الكيميائية والمذيبات المستخدمة في المعالجة. تستخدم بعض الأنظمة الحرارية الشمسية سوائل يحتمل أن تكون خطرة (لنقل الحرارة) تتطلب المناولة والتخلص بشكل صحيح. ومع ذلك، تتجاوز الطاقة النووية الطاقة الشمسية في استهلاك المياه وتوليد النفايات الخطرة.

    الإسناد

    تم تعديله بواسطة Melissa Ha من المصادر التالية: