19.3: Nishati ya jua

Nishati ya jua inahusu joto au nishati ya mwanga kutoka jua. Nishati ya jua kwa mbali ni aina nyingi zaidi ya nishati mbadala, inayotolewa kwenye uso wa Dunia kwa kiwango cha Terawatts 120,000 (TW) kwa saa, ikilinganishwa na matumizi ya binadamu duniani ya 19.8 TW katika mwaka mzima wa 2019. Ili kuweka hili katika mtazamo, kufunika 1.2% ya jangwa la Sahara na paneli za jua kunaweza kukidhi mahitaji ya nishati ya Dunia. Bila shaka, hii haina kuzingatia mapungufu juu ya uwezo wa kuhifadhi na uwezo wa kusambaza nishati hiyo.

Teknolojia ya kuunganisha nishati ya jua inaweza kuwa passiv au hai. Teknolojia za jua za jua hazihitaji vifaa vya ngumu na inaweza kuwa rahisi kama kutumia mwanga wa asili kutoka dirisha au skylight ili kuangaza chumba (takwimu\(\PageIndex{a}\)). Vile vile, zilizopo za jua zimewekwa na nyenzo za kutafakari na zinaweza kuzingatia nishati ya mwanga ili kuangaza chumba (takwimu\(\PageIndex{a}\)). Hizi ni iliyoingia katika dari kama Fixtures kawaida mwanga itakuwa.

Kielelezo\(\PageIndex{a}\): Skylights na zilizopo za jua (vifaa vya mchana tubular, TDD). Wakati vituo vya anga vinafanana na madirisha yaliyowekwa kwenye dari, zilizopo za jua hutumia lenses na kitambaa cha kutafakari ili kuzingatia jua, kutoa mwanga mkali kwa sehemu nyeusi za nyumba. Kinachofanya skylight nishati ufanisi? Skylights za jadi ni skylights zinazotumia teknolojia sawa na madirisha, lakini teknolojia hizi ni muhimu zaidi kwa skylights, ambazo hupokea jua moja kwa moja katika majira ya joto na tofauti kubwa nje/ndani ya joto katika majira ya baridi. Vifaa vya mchana vya mchana hukusanya jua kwenye paa na kuitumia chini ya lens iliyoenea iliyowekwa kwenye uso wa mambo ya ndani, kwa kawaida dari. Mwanga wa asili kutoka kwa TDD unaweza kuangaza vyumba, bafu, hallways, au maeneo mengine ambayo kwa kawaida hayatakuwa na upatikanaji wa jua, kupunguza haja ya taa za umeme. Picha ya kushoto na Idara ya Nishati ya Marekani (uwanja wa umma), na picha sahihi na Nishati Star (uwanja wa umma).

Nishati ya jua pia inaweza kutumika kama joto, ambayo inaweza kupanuliwa kupitia usanifu makini (takwimu\(\PageIndex{b}\)). Kwanza, jengo linahitaji madirisha yanayowakabili kusini-( au milango ya kioo). Kama jua linapita kupitia maeneo haya, nishati huhifadhiwa katika molekuli ya joto ya jengo hilo. Hii inahusu vifaa vya utegaji joto kama vile mwamba au tiles. Jengo hilo pia limeundwa kama joto linasambazwa katika jengo hilo. Hatimaye, paa za paa au miundo kama hiyo huzuia jua kuingia nyumbani wakati wa majira ya joto.

Kielelezo\(\PageIndex{b}\): Muundo huu wa jengo hutumia jua kwa joto wakati wa majira ya baridi na hivyo ni teknolojia ya jua ya jua. Overhang ya paa hutumika kama udhibiti, kuzuia jua la juu la majira ya joto huku kuruhusu jua la chini la baridi kupita kwenye dirisha (kufungua). Nishati ya joto kutoka jua ni kisha kusambazwa katika jengo hilo. Masi ya joto (kama vile sakafu ya tile au jiwe) inachukua na baadaye hutoa nishati ya joto. Picha na Idara ya Nishati ya Marekani (umma domain).

Mchapishaji rahisi wa maji ya jua ni teknolojia ya passive yenye mtandao wa zilizopo ambazo huwaka na jua (takwimu\(\PageIndex{c}\)). Maji ya moto huhamishwa kwa njia ya kuingia kwa nyumba. (Baadhi ya hita za maji ya jua ni ngumu zaidi, kwa kutumia pampu, na hivyo huchukuliwa teknolojia za nishati ya jua.)

Kielelezo\(\PageIndex{c}\): Mchapishaji wa maji ya jua. Picha na Vijayanarasimha/Pixabay (uwanja wa umma).

Teknolojia za nishati ya jua ni ngumu zaidi. Kwa mfano, paneli za jua hutumia nishati ya mwanga kuzalisha umeme (takwimu\(\PageIndex{d}\)). Hii hutokea katika vitengo vya jopo la jua, ambalo huitwa seli za photovoltaic (seli za PV; takwimu\(\PageIndex{e}\)). Kila kiini cha photovoltaic kina tabaka mbili za semiconductors, vitu vinavyofanya umeme tu chini ya hali fulani. (Kwa upande mwingine, inafanya daima kufanya umeme, na wahami hawana.) Semiconductor moja ina elektroni za ziada, lakini nyingine ina nafasi za ziada za elektroni. Wakati mwanga unaangaza kwenye seli ya photovoltaic, husababisha elektroni kuhamia kutoka kati ya tabaka za semiconductor kupitia kondakta inayowaunganisha (kama vile waya za chuma au sahani). Mwendo huu husababisha sasa umeme.

Kielelezo\(\PageIndex{d}\): Rooftop jua ufungaji juu ya Douglas Hall katika Chuo Kikuu cha Illinois katika Chicago haina athari juu ya rasilimali za ardhi, wakati kuzalisha umeme na uzalishaji sifuri. Chanzo: Ofisi ya Uendelevu, UIC

Kielelezo\(\PageIndex{e}\): Mchoro wa seli ya photovoltaic yenye tabaka mbili za semiconductors. Semiconductor ya juu (n-aina) ina elektroni za ziada na semiconductor ya chini (p-aina) ina matangazo ya ziada (mashimo) kwa elektroni. Junction hugawanya tabaka hizi mbili. Mwanga hufungua elektroni na huwawezesha kuhamia kupitia waya kutoka kwa aina ya n ili kujaza “mashimo ya elektroni” katika semiconductor ya aina ya p. Harakati ya elektroni kupitia matokeo ya waya kwa sasa ya umeme. Picha na Utawala wa Habari za Nishati za Marekani (uwanja wa umma).

Video hii inaeleza jinsi seli za photovoltaic ndani ya paneli za jua zinazalisha umeme

Mfano mwingine wa teknolojia ya jua ya kazi ni teknolojia ya joto ya jua. Hii inahusisha kutumia mfululizo wa kioo ili kuzingatia nishati ya jua, hatimaye kuzalisha mvuke. Kutoka huko, mvuke hugeuka turbine na nguvu ya jenereta (takwimu\(\PageIndex{f}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{f}\): Katika teknolojia ya joto ya jua, (1) vioo au watafakari huzingatia mionzi ya jua ili joto la aina maalum ya kioevu, ambayo inachukua joto. (2) Joto kutoka kioevu hiki huchemesha maji ili kuunda mvuke, inayowezeshwa na mchanganyiko wa joto. (3) Steam huzunguka turbine iliyounganishwa na jenereta, ambayo inajenga umeme. (4) mvuke cools na condenses nyuma ya maji, ambayo ni recycled, reheated, na kubadilishwa katika mvuke tena. Picha na maelezo (yamebadilishwa) kutoka EPA (uwanja wa umma).

Sio tu nishati ya jua nyingi, lakini matumizi ya paneli za jua kwa umeme hazizalishi uchafuzi wa hewa au kuchangia mabadiliko ya hali ya hewa. (Utengenezaji wa paneli za jua unaweza kuzalisha uchafuzi wa mazingira, ikiwa ni pamoja na uzalishaji wa gesi ya chafu, lakini hii ni ndogo ikilinganishwa na ile ya mafuta ya mafuta.) Kama nishati ya upepo, upanuzi juu ya nishati ya jua unaweza kujenga ajira na kuongeza uchumi. Pia kama upepo, jua ni katikati na uhifadhi wa nishati ya jua ni mdogo na uwezo wa betri. Maeneo mengine haipati jua moja kwa moja na haifai kwa paneli za jua. Wakati nishati ya jua kihistoria imekuwa aina ya gharama kubwa zaidi ya nishati mbadala, teknolojia mpya zimepunguza gharama zake.

Uwekaji wa paneli za jua huamua jinsi athari zao za mazingira. Vipande vya jua mara nyingi huwekwa kwenye paa za majengo au juu ya kura ya maegesho au kuunganishwa katika ujenzi kwa njia nyingine. Hata hivyo, mifumo mikubwa inaweza kuwekwa kwenye ardhi na hasa katika jangwa ambako mazingira hayo yenye tete yanaweza kuharibiwa ikiwa huduma haijachukuliwa. Zaidi ya hayo, mashamba ya jua yanaweza kushindana kwa nafasi ya kilimo.

Vikwazo vingine vya nishati ya jua ni matumizi ya maji (kwa matumizi mengine) na kizazi cha taka za hatari. Mitandao mikubwa ya vioo na lenses zinazozingatia nishati ya jua kwa ajili ya kizazi cha umeme katika mifumo ya jua ya joto au inapokanzwa inaweza kuhitaji kusafishwa mara kwa mara na maji. Maji pia yanahitajika kwa ajili ya baridi ya jenereta ya turbine. Kutumia maji kutoka visima vya chini ya ardhi kunaweza kuathiri mazingira katika maeneo mengine yenye ukame. Utengenezaji wa seli za photovoltaic huzalisha taka za hatari kutokana na kemikali na vimumunyisho vinavyotumiwa katika usindikaji Baadhi ya mifumo ya joto ya jua hutumia maji ya hatari (kuhamisha joto) ambayo yanahitaji utunzaji sahihi na ovyo. Nguvu za nyuklia zinazidi nishati ya jua katika matumizi ya maji na kizazi cha taka hatari, hata hivyo.

Attribution

Ilibadilishwa na Melissa Ha kutoka vyanzo vifuatavyo:

• Nishati Mbadala na changamoto na athari za matumizi ya Nishati kutoka Biolojia ya Mazingira na Mathayo R. Fisher (leseni chini ya CC-BY