عندما تعلمنا في المدرسة أنه بالإضافة إلى الماء ، كنا بحاجة إلى أن تشرق الشمس على أمنا الأرض للمساعدة في الحفاظ على الحياة بجميع أنواعها وأشكالها المختلفة. وشمل ذلك الحياة الحيوانية والنباتية التي تسكنها ، وكذلك لزراعة محاصيلنا من أجل الغذاء. ولكن يمكننا أيضا استخدام الطاقة الضوئية المشعة من الشمس لإنتاج الحرارة والضوء والطاقة في شكل كهرباء باستخدام الطاقة الشمسية الهائلة للشمس.
الأشعة الكهرومغناطيسية في شكل طاقة مشعة ، تنبعث باستمرار في الفضاء من خلال حرق الشمس. تنتقل هذه الأشعة عبر الفضاء في جميع الاتجاهات بينما يصل بعضها إلى سطح الأرض. تصل الطاقة المشعة المنبعثة من الشمس إلى الأرض في غضون فترة زمنية قصيرة جدا.
في الواقع ، فإن كمية الطاقة الشمسية التي تصل إلى سطح الأرض كل ساعة من اليوم أكبر من إجمالي طلبنا على الطاقة في عام كامل. نظرا لأن الشمس تحترق بشكل مشرق في النظام الشمسي على مدار 24 ساعة في اليوم ، 365 يوما في السنة ، تصنف الطاقة الشمسية في شكل "طاقة شمسية" كمورد للطاقة المتجددة ، ولجميع الأغراض العملية ، يمكننا اعتبار الطاقة الشمسية كقوة من الشمس.
تتلقى الأرض الطاقة المشعة من الشمس في شكل موجات كهرومغناطيسية. تعتمد كمية الإشعاع الشمسي التي تسقط بالفعل على سطح الأرض في أي مكان ووقت معين على العديد من العوامل ، مثل الوقت من اليوم (الصباح أو بعد الظهر أو الليل) ، والوقت من السنة (الفصول) ، وخط العرض الجغرافي على سطح الأرض ، على سبيل المثال لا الحصر.
كمية الطاقة المشعة المتاحة للاستخدام في نظام الطاقة الشمسية ليست سوى كمية صغيرة جدا من إجمالي الإشعاع الشمسي الذي تتلقاه الأرض فوق غلافها الجوي. ويرجع ذلك أساسا إلى أن الغيوم والغلاف الجوي نفسه والظروف الأرضية التي يمكن أن تمتص أو تعكس معظم هذه الطاقة الشمسية مرة أخرى في السماء والفضاء.
الأرض هي في الأساس مجمع ضخم للطاقة الشمسية يتلقى كميات كبيرة من الطاقة من الشمس. يمكن استخدام هذه الطاقة الشمسية مباشرة كطاقة شمسية باستخدام الألواح الشمسية الكهروضوئية ، وبشكل غير مباشر كطاقة الرياح أو المد والجزر أو الأمواج. الطاقة الشمسية هي مورد طاقة متجددة لا ينضب ومتوفر محليا في كل مكان على وجه الأرض. ولكن من أجل جمع الطاقة الشمسية بشكل أكثر فعالية ، تتطلب مستقبلات الطاقة الشمسية أشعة الشمس المباشرة وليس ضوء الشمس المنعكس ، مما يجعلها غير فعالة في الظروف الغائمة.
تبلغ الطاقة الخام من شمسنا التي تصل إلى الغلاف الجوي الخارجي للأرض حوالي 1373 واط لكل متر مربع (1.37 كيلو واط / م 2) فوق طبقة السحب. ثم يتم تقليل هذه الكمية بواسطة الغلاف الجوي والطبقات الواقية للوصول إلى سطح الأرض في منتصف النهار من سماء صافية عند حوالي 1000 واط لكل متر مربع (1.0 كيلو واط / م 2) أو أقل قليلا.
وهذا يعني إذن أن الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى سطح الأرض يتكون من حوالي 70٪ من ضوء الشمس المباشر وحوالي 30٪ من أشعة الشمس المنتشرة لأن الغلاف الجوي والسحب تعمل مثل المرشحات العملاقة التي تحجب وتشتت الطاقة المشعة من الشمس في جميع الاتجاهات.
على سبيل المثال ، ستسبب الغازات وجزيئات الغبار الصغيرة العالقة في الغلاف الجوي تأثير تشتت على الإشعاع الشمسي الوارد مما يؤدي إلى انعكاس بعضه مرة أخرى في الفضاء في جميع الاتجاهات بسبب الهواء والسحب والمطر والضباب. الغيوم التي تتكون من جزيئات الماء السائل والمجمد سوف تنتشر وتعكس الإشعاع الشمسي مرة أخرى إلى الفضاء كما نرى في الأيام الملبدة بالغيوم.
كما تختلف انعكاسية سطح الأرض باختلاف أنواع المواد التي تغطيها سواء كانت رمالا أو ثلجا أو بحرا، في حين أن بعض الطاقة الضوئية المشعة للشمس تمتصها الغازات المختلفة التي يتكون منها الغلاف الجوي مثل بخار الماء وثاني أكسيد الكربون والأوزون.
كما هو موضح أعلاه ، ينتشر الإشعاع الشمسي وينعكس في جميع الاتجاهات عند المرور عبر الغلاف الجوي. يمكن أن يصل هذا التشتت إلى 60٪ من القيمة الإجمالية التي تصل إلى الغلاف الجوي للأرض عبر الفضاء. ومع ذلك ، يلقي الإشعاع الشمسي المباشر بظلاله ، لأنه اتجاهي قادم مباشرة من الشمس. يلعب موقع وموقع الشمس في السماء أيضا دورا مهما في كفاءة أي نظام الطاقة الشمسية.
عند الظهيرة في يوم مشمس صاف صاف صاف في وسط الصحراء ، يمكن أن تصل الطاقة الشمسية المتاحة على مستوى الأرض إلى 1000 واط لكل متر مربع ، أي 1000 واط أو 1 كيلو واط لكل متر مربع من المساحة التي تشير مباشرة إلى الشمس ولكن بالنسبة للعديد من المواقع حول العالم ، فإن 600 إلى 800 واط لكل متر مربع هي قيمة أكثر واقعية.
للحصول على أكبر قدر ممكن من الطاقة الشمسية لكل م 2 نحتاج إلى تعويض الميل والزاوية بين الشمس والأرض وحقيقة أنه ليس منتصف النهار طوال الوقت من خلال توجيه مجمع الطاقة الشمسية في اتجاه الجنوب حيث تكون الشمس في ألمع حالاتها وربما تعديلها لمواسم مختلفة لتتبع الشمس من الشرق إلى الغرب.
جدوى الطاقة الشمسية
موقع ذا صنز
تعتمد جدوى استخدام الإشعاع الشمسي الشمسي كمصدر للطاقة الشمسية ، إما لتسخين المياه أو لإنتاج الكهرباء ، بشكل أساسي على كمية الإشعاع الشمسي المتلقاة في أي مكان معين على سطح الأرض ، وسيختلف هذا مع كل من الوقت والفصول ، حيث تتلقى الأرض ككل المزيد من الطاقة الشمسية في أشهر الصيف من مايو حتى أغسطس.
يعتمد توافر أو عدم توفر الإشعاع الشمسي للشمس إلى حد كبير على دوران الأرض حيث أن الطاقة الشمسية المتاحة في الليل أقل مما كانت عليه أثناء النهار ، وكذلك الحركة المدارية للأرض التي تنتج دورات موسمية من الصيف إلى الشتاء مع كون الشمس أعلى وأكثر إشراقا.
لذلك تكون الشمس أقوى في السماء خلال أشهر الصيف من أشهر الشتاء. أيضا ، يلعب خط العرض الجغرافي دورا مهما في توافر الطاقة الشمسية الكافية وكذلك حالة الغلاف الجوي والغطاء السحابي وما إلى ذلك مع وجود أعلى إمكانات لتوليد الطاقة الشمسية في نصف الكرة الجنوبي. تساعدنا الطاقة الشمسية المركزة في التغلب على بعض أوجه القصور هذه.
بعد قول كل ذلك ، فإن ما يكفي من الطاقة الشمسية من الشمس تشرق على الأرض في ساعة واحدة لتلبية جميع احتياجاتنا لمدة عام كامل ، والخطوة الأولى في تحديد جدوى أي نظام طاقة بديل هي إجراء تقدير واقعي لمقدار الطاقة ونوع الطاقة المطلوبة بالفعل. إن قضاء بعض الوقت في التفكير في هذا الأمر والتخطيط الصحيح لنظام الطاقة الشمسية سيضمن أن النظام المكتمل عند التشغيل سيلبي الاحتياجات الكهربائية المتوقعة ويكون أيضا فعالا من حيث التكلفة.
أنظمة الطاقة الشمسية
إذن ما هي أنواع أنظمة الطاقة الشمسية متوفرة لتسخير طاقة الشمس في المنزل. حسنا ، نحن نعلم الآن من الأعلى أن تقنيات الطاقة الشمسية تحول الطاقة اللانهائية لطاقة الشمس إلى حرارة وضوء وقوة. أحد أفضل استخدامات الطاقة الشمسية هو استخدام الخلايا الكهروضوئية لتوليد الكهرباء. تشير الطاقة الشمسية النشطة إلى توليد الطاقة الكهربائية باستخدام الطاقة الشمسية وهناك طريقتان مختلفتان للقيام بذلك.
هناك محطات طاقة تجارية ضخمة مستخدمة اليوم تستخدم الطاقة الشمسية لتسخين المياه لإنتاج البخار الذي يستخدم بعد ذلك لتوليد الكهرباء تماما كما هو الحال في فحم الوقود الأحفوري أو محطات الطاقة الكهربائية. طريقة أخرى هي استخدام مساحات كبيرة من الخلايا الكهروضوئية المتصلة ببعضها البعض لتشكيل صفائف شمسية يمكنها توليد الكهرباء عند الفولتية العالية والتيارات.
بالنسبة لنظام الطاقة الشمسية المنزلي ، ليس من الضروري إنفاق مبالغ كبيرة من المال على تصميم أنظمة شمسية ضوئية ميكانيكية معقدة للغاية ، يبدأ العديد من المبتدئين بتصميمات كهروضوئية بسيطة "محلية الصنع" لتوفير المال الذي يحيط بالخلايا الكهروضوئية في صندوق خشبي للطاقة الشمسية المركزة.
تستخدم الطاقة الشمسية لتحويل الطاقة في ضوء الشمس إلى وسيط طاقة قابل للتخزين والنقل مثل الكهرباء باستخدام الألواح الشمسية الكهروضوئية. الخلايا الكهروضوئية (أو "PV") هي التكنولوجيا التي تحول الضوء مباشرة إلى كهرباء وهي اللوحة الشمسية الأيقونية المثبتة على السقف والتي يربطها معظم الناس بالطاقة الشمسية. هناك العديد من مزايا وعيوب الطاقة الشمسية وفي البرنامج التعليمي التالي سننظر في الخلايا الكهروضوئية بمزيد من التفصيل ونرى كيف تحويل طاقة الشمس إلى طاقة شمسية قابلة للاستخدام.
في البرنامج التعليمي التالي من هذا القسم حول "الطاقة الشمسية" ، سننظر في الخلايا الشمسية ونرى كيف يمكنها تحويل ضوء الشمس على شكل فوتونات إلى طاقة كهربائية لمنازلنا.