عندما تعلمنا في المدرسة أنه بالإضافة إلى الماء، كنا بحاجة إلى أن تشرق الشمس على الأرض الأم لمساعدة الحياة على الحفاظ على الحياة بأشكالها وأشكالها المختلفة. شمل ذلك والنباتات التي تسكنها، وكذلك زراعة محاصيلنا للطعام. لكن يمكننا أيضا استخدام الطاقة الضوئية المشعة من الشمس لإنتاج الحرارة والضوء والطاقة على شكل كهرباء باستخدام الطاقة الشمسية الهائلة.
الأشعة الكهرومغناطيسية على شكل طاقة مشعة تنبعث باستمرار في الفضاء بواسطة حرق الشمس. تنتقل هذه الأشعة عبر الفضاء في جميع الاتجاهات بينما تصل بعضها إلى سطح الأرض. تصل الطاقة المشعة المنبعثة من الشمس إلى الأرض خلال فترة زمنية قصيرة جدا.
في الواقع، كمية الطاقة الشمسية التي تصل إلى سطح الأرض في كل ساعة من اليوم أكبر من إجمالي طلبنا على الطاقة خلال عام كامل. بينما تحترق الشمس بقوة في النظام الشمسي على مدار 24 ساعة يوميا، و365 يوما في السنة، تصنف الطاقة الشمسية على شكل "الطاقة الشمسية" كمورد للطاقة المتجددة، ولأغراض عملية، يمكننا النظر في ذلكالطاقة الشمسيةكقوة من الشمس.
تستقبل الأرض الطاقة الإشعاعية من الشمس على شكل موجات كهرومغناطيسية. كمية الإشعاع الشمسي التي تسقط فعليا على سطح الأرض في أي موقع ووقت معين تعتمد على عوامل عديدة، مثل وقت اليوم (صباحا، بعد الظهر أو الليل)، ووقت السنة (الفصول)، وخط العرض الجغرافي على سطح الأرض، على سبيل المثال لا الحصر.
كمية الطاقة الإشعاعية المتاحة للاستخدام في نظام الطاقة الشمسية هي كمية صغيرة جدا من إجمالي الإشعاع الشمسي الذي تستقبله الأرض فوق غلافها الجوي. ويرجع ذلك أساسا إلى الغيوم والغلاف الجوي نفسه والظروف الأرضية التي يمكن أن تمتص أو تعكس معظم هذه الطاقة الشمسية إلى السماء والفضاء.
الأرض في الأساس جامع ضخم للطاقة الشمسية يستقبل كميات كبيرة من الطاقة من الشمس. يمكن استخدام هذه الطاقة الشمسية مباشرة كطاقة شمسية باستخدام لوح شمسي كهروضوئي، وبشكل غير مباشر كطاقة رياح أو مد أو أمواج. الطاقة الشمسية هي مورد طاقة متجدد لا ينضب، وهو متاح محليا في كل مكان على الأرض. ولكن لجمع الطاقة الشمسية بشكل أكثر فعالية، تحتاج أجهزة استقبال الطاقة الشمسية إلى ضوء الشمس المباشر وليس المنعكس عليه، مما يجعلها غير فعالة في الظروف الغائمة.
الطاقة الخام من شمسنا التي تصل إلى الغلاف الجوي الخارجي للأرض تبلغ حوالي 1373 واط لكل متر مربع (1.37 كيلوواط/م2) فوق طبقة السحب. يتم تقليل هذا المقدار بعد ذلك بواسطة الغلاف الجوي والطبقات الواقية ليصل إلى سطح الأرض عند الظهر من سماء صافية بقوة حوالي 1000 واط لكل متر مربع (1.0 كيلوواط/م2) أو أقل قليلا.
وهذا يعني إذن أن الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى سطح الأرض يتكون من حوالي 70٪ ضوء شمس مباشر وحوالي 30٪ منتشر، لأن الغلاف الجوي والسحب يتصرفان كمرشحات عملاقة تحجب وتبعثر الطاقة الإشعاعية من الشمس في جميع الاتجاهات.
على سبيل المثال، الغازات وجزيئات الغبار الصغيرة المعلقة في الغلاف الجوي تسبب تأثير تشتت على الإشعاع الشمسي القادم، مما يؤدي إلى انعكاس جزء منه إلى الفضاء في جميع الاتجاهات بسبب الهواء والسحب والمطر والضباب. السحب المكونة من جزيئات الماء السائل والمجمد ستتناثر وتعكس الإشعاع الشمسي مرة أخرى إلى الفضاء كما نرى في الأيام الغائمة الكئيبة.
كما أن انعكاسية سطح الأرض تختلف حسب أنواع المواد التي تغطيها سواء كانت رملا أو ثلجا أو بحرا، بينما تمتص بعض طاقة ضوء الشمس المشعة من الغازات المختلفة التي تشكل الغلاف الجوي مثل بخار الماء وثاني أكسيد الكربون والأوزون.
كما ذكر أعلاه، الإشعاع الشمسي يتشتت وينعكس في جميع الاتجاهات عند مروره عبر الغلاف الجوي. يمكن أن يصل هذا التشتت إلى 60٪ من القيمة الإجمالية التي تصل إلى غلاف الأرض الجوي عبر الفضاء. أما الإشعاع الشمسي المباشر فهو يلقي بظلال، لأنه يكون متجها يأتي مباشرة من الشمس. موقع وموقع الشمس في السماء يلعب أيضا دورا مهما في كفاءة أينظام الطاقة الشمسية.
عند الظهر في يوم صافي مشمس وخالي من الغيوم في وسط الصحراء، يمكن أن تصل الطاقة الشمسية المتاحة على مستوى الأرض إلى 1000 واط لكل متر مربع، أي 1000 واط أو 1كيلوواط لكل متر مربع من المساحة موجهة مباشرة نحو الشمس، لكن في العديد من المواقع حول العالم فإن 600 إلى 800 واط لكل م2 هي قيمة أكثر واقعية.
للحصول على أقصى كمية من الطاقة الشمسية لكل متر مربع، نحتاج إلى تعويض الميل والزاوية بين الشمس والأرض وحقيقة أن الوقت ليس منتصف النهار طوال الوقت عن طريق توجيه مجمع الطاقة الشمسية في اتجاه جنوبي حيث تكون الشمس في أشد سطوعها وربما ضبطها حسب المواسم المختلفة لتتبع الشمس من الشرق إلى الغرب.
جدوى الطاقة الشمسية
موقع ذا صنز
تعتمد جدوى استخدام إشعاع الشمس الشمسي كمصدر للطاقة الشمسية، سواء لتسخين الماء أو لإنتاج الكهرباء، بشكل رئيسي على كمية الإشعاع الشمسي المستقبلة في أي موقع على سطح الأرض، وهذا يختلف مع الزمن والفصول، حيث تتلقى الأرض ككل المزيد من الطاقة الشمسية خلال أشهر الصيف من مايو حتى أغسطس.
يعتمد توفر أو غياب إشعاع الشمس الشمسي بشكل كبير على دوران الأرض، حيث أن الطاقة الشمسية أقل في الليل مقارنة بالنهار، وكذلك الحركة المدارية للأرض التي تنتج دورات موسمية من الصيف إلى الشتاء مع كون الشمس أعلى وأكثر سطوعا.
لذلك، تكون الشمس أقوى في السماء خلال أشهر الصيف مقارنة بأشهر الشتاء. أيضا، يلعب خط العرض الجغرافي دورا مهما في توفر الطاقة الشمسية الكافية وكذلك حالة الغلاف الجوي وغطاء السحب، حيث يكون أعلى إمكانات لتوليد الطاقة الشمسية في نصف الكرة الجنوبي. الطاقة الشمسية المركزة تساعدنا على تجاوز بعض هذه النواقص.
ومع كل ذلك، فإن كمية الطاقة الشمسية الكافية من الشمس تشرق على الأرض في ساعة واحدة لتلبية جميع احتياجاتنا لمدة عام كامل، والخطوة الأولى لتحديد جدوى أي نظام طاقة بديل هي إجراء تقدير واقعي لكمية الطاقة ونوع الطاقة المطلوبة فعليا. أخذ الوقت للتفكير في هذا الأمر والتخطيط الصحيح لنظام الطاقة الشمسية سيضمن أن النظام المكتمل عند تشغيله سيلبي الاحتياجات الكهربائية المتوقعة ويكون فعالا من حيث التكلفة.
أنظمة الطاقة الشمسية
فما هي أنواعأنظمة الطاقة الشمسيةمتاحة للاستفادة من طاقة Suns في المنزل. حسنا، نعلم الآن من الأعلى أن التقنيات الشمسية تحول الطاقة اللامتناهية لطاقة الشمس إلى حرارة وضوء وطاقة. واحدة من أفضل استخدامات الطاقة الشمسية هي استخدام الطاقة الكهروضوئية لتوليد الكهرباء. تشير الطاقة الشمسية النشطة إلى توليد الطاقة الكهربائية باستخدام الطاقة الشمسية وهناك طريقتان مختلفتان للقيام بذلك.
هناك محطات طاقة تجارية ضخمة تستخدم اليوم تستخدم الطاقة الشمسية لتسخين المياه لإنتاج البخار، والذي يستخدم بعد ذلك لتوليد الكهرباء تماما كما هو الحال في محطات الطاقة النووية التي تعمل بالوقود الأحفوري أو الفحم. طريقة أخرى هي استخدام مساحات كبيرة من الخلايا الكهروضوئية متصلة معا لتشكيل مصفوفات شمسية يمكنها توليد الكهرباء عند جهود وتيارات عالية.
بالنسبة لنظام الطاقة الشمسية المنزلي، ليس من الضروري إنفاق مبالغ كبيرة على تصميم أنظمة شمسية كهروضوئية ميكانيكية معقدة جدا، فالكثير من المبتدئين يبدأون بتصاميم كهروضوئية بسيطة "مصنوعة يدويا" لتوفير المال مع تغليف الخلايا الكهروضوئية في صندوق خشبي لتوليد الطاقة الشمسية المركزة.
تستخدم الطاقة الشمسية لتحويل الطاقة الموجودة في ضوء الشمس إلى وسيط طاقة قابل للتخزين ونقل مثل الكهرباء باستخدام الألواح الشمسية الكهروضوئية. الطاقة الشمسية (أو "PV") هي التقنية التي تحول الضوء مباشرة إلى كهرباء، وهي اللوحة الشمسية الشمسية الشهيرة المثبتة على السقف التي يربطها معظم الناس بالطاقة الشمسية. هناك العديد من المزايا والعيوب للطاقة الشمسية، وفي الدرس القادم سننظر في الطاقة الشمسية بمزيد من التفصيل ونرى كيف تحول طاقة الشمس إلى طاقة شمسية قابلة للاستخدام.
في الدرس التالي لهذا القسم حول "الطاقة الشمسية"، سننظر في الخلايا الشمسية ونرى كيف يمكنها تحويل ضوء الشمس على شكل فوتونات إلى طاقة كهربائية لمنازلنا.