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 زراعة 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.
تنبعث الأشعة الكهرومغناطيسية على شكل طاقة مشعة باستمرار في الفضاء عن طريق عمل الشمس المحترق. 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 ساطع في النظام الشمسي على مدار 24 ساعة في اليوم ، 365 يوما في السنة ، تصنف الطاقة الشمسية على شكل "طاقة شمسية" كمورد للطاقة المتجددة ، ولجميع الأغراض العملية ، يمكننا النظر فيها الطاقة الشمسية كقوة من الشمس.
تتلقى الأرض الطاقة المشعة من الشمس على 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 وظروف الأرض التي يمكن أن تمتص أو تعكس معظم هذه الطاقة الشمسية 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 لوحة شمسية كهروضوئية ، وبشكل غير مباشر كطاقة رياح أو مد أو موجة. الطاقة الشمسية هي مورد طاقة متجددة لا ينضب ومتاح 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 الملبدة بالغيوم.
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.
هذا يعني إذن أن الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى سطح الأرض يتكون من حوالي 70٪ من ضوء الشمس المباشر وحوالي 30٪ من ضوء الشمس المنتشر لأن الغلاف الجوي والغيوم تعمل مثل المرشحات العملاقة التي تحجب وتشتت الطاقة المشعة من الشمس في جميع الاتجاهات.
على سبيل المثال ، ستسبب الغازات وجزيئات الغبار الصغيرة المعلقة في الغلاف الجوي تأثيرا تشتتيا على الإشعاع الشمسي الوارد مما يؤدي إلى انعكاس بعضها مرة أخرى في الفضاء في جميع الاتجاهات بسبب الهواء والسحب والمطر والضباب. سوف تنتشر الغيوم التي تتكون من جزيئات الماء السائل والمتجمد وتعكس الإشعاع الشمسي مرة أخرى في الفضاء كما نرى في الأيام الملبدة بالغيوم.
كما أن انعكاسية سطح الأرض تختلف باختلاف أنواع المواد التي تغطيها سواء كانت رملية أو ثلجية أو بحر، بينما تمتص الغازات المختلفة التي يتكون منها الغلاف الجوي بعض الطاقة الضوئية المشعة لبعض الشموس مثل بخار الماء وثاني أكسيد الكربون والأوزون.
كما هو موضح أعلاه ، فإن الإشعاع الشمسي مبعثر 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 الشمس وموقعها في السماء أيضا دورا مهما في كفاءة أي نظام الطاقة الشمسية.
في الظهيرة في يوم مشمس صاف خال من الغيوم في وسط الصحراء ، يمكن أن تصل الطاقة الشمسية المتوفرة على مستوى الأرض إلى 1,000 واط لكل متر مربع ، أي 1,000 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 أقصى قدر من الطاقة الشمسية لكل متر مربع ، نحتاج إلى تعويض الميل والزاوية بين الشمس والأرض وحقيقة أنه ليس منتصف النهار طوال الوقت عن طريق توجيه مجمع الطاقة الشمسية في اتجاه الجنوب حيث كانت الشمس في أكثر حالاتها سطوعا وربما تعديلها لمواسم مختلفة لتتبع الشمس من الشرق إلى الغرب.
جدوى الطاقة الشمسية
موقع ذا صنز
تعتمد جدوى استخدام الإشعاع الشمسي كمصدر للطاقة الشمسية ، إما لتسخين المياه أو لإنتاج الكهرباء بشكل أساسي على كمية الإشعاع الشمسي المستلمة في أي مكان معين على سطح الأرض وسيختلف هذا باختلاف الوقت والفصول ، حيث تتلقى الأرض ككل المزيد من الطاقة الشمسية في أشهر الصيف من مايو حتى أغسطس.
يعتمد توافر أو عدم وجود الإشعاع الشمسي للشمس إلى حد كبير على دوران الأرض حيث أن هناك طاقة شمسية متاحة في الليل أقل مما كانت عليه أثناء النهار ، وكذلك الحركة المدارية للأرض التي تنتج دورات موسمية من الصيف إلى الشتاء مع تكون الشمس أعلى وأكثر إشراقا.
لذلك تكون الشمس أقوى في السماء خلال أشهر الصيف من أشهر الشتاء. كما يلعب خط العرض الجغرافي دورا مهما في توافر طاقة شمسية كافية بالإضافة إلى 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 قولي هذا كله ، 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 قوة الشمس في المنزل. حسنا ، نحن نعلم الآن من الأعلى أن تقنيات الطاقة الشمسية تحول الطاقة اللانهائية لطاقة الشمس إلى حرارة وضوء وطاقة. 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 قيد الاستخدام اليوم تستخدم الطاقة الشمسية لتسخين المياه لإنتاج البخار الذي يستخدم بعد ذلك لتوليد الكهرباء تماما كما هو الحال في الوقود الأحفوري أو الفحم أو محطات الطاقة النووية. طريقة أخرى هي استخدام مساحات كبيرة من الخلايا الكهروضوئية المتصلة ببعضها البعض لتشكيل مصفوفات شمسية يمكنها توليد الكهرباء بجهد وتيارات عالية.
بالنسبة لنظام الطاقة الشمسية المنزلي ، ليس من الضروري إنفاق مبالغ كبيرة من المال على تصميم أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية الميكانيكية المتقنة 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 وقابل للنقل مثل الكهرباء باستخدام الألواح الشمسية الكهروضوئية. الخلايا الكهروضوئية (أو "PV") هي التكنولوجيا التي تحول الضوء مباشرة إلى كهرباء وهي الألواح الشمسية المثبتة على السقف والتي يربطها معظم الناس بالطاقة الشمسية. هناك العديد من مزايا وعيوب الطاقة الشمسية وفي البرنامج التعليمي التالي سنلقي نظرة على الخلايا الكهروضوئية بمزيد من التفصيل ونرى كيف يتم تحويل طاقة الشمس إلى طاقة شمسية قابلة للاستخدام.
في البرنامج التعليمي التالي لهذا القسم حول "الطاقة الشمسية" ، سنلقي نظرة على الخلايا الشمسية ونرى كيف يمكنها تحويل ضوء الشمس على شكل فوتونات إلى طاقة كهربائية لمنازلنا.