الطاقة الشمسية هي أي نوع من الطاقة الناتجة عن الشمس.

يتم إنشاء الطاقة الشمسية بواسطة الانصهار النووي الذي يحدث في الشمس. يحدث الانصهار عندما تصطدم بروتونات ذرات الهيدروجين بعنف في قلب الشمس والفتيل لإنشاء ذرة الهيليوم.

هذه العملية ، المعروفة باسم سلسلة سلسلة PP (بروتون بروتون) ، تنبعث منها كمية هائلة من الطاقة. في جوهرها ، يدمج الشمس حوالي 620 مليون طن متري من الهيدروجين كل ثانية. يحدث تفاعل سلسلة PP في النجوم الأخرى التي تدور حول حجم شمسنا ، وتوفر لهم الطاقة والحرارة المستمرة. تبلغ درجة حرارة هذه النجوم حوالي 4 ملايين درجة على مقياس كيلفن (حوالي 4 ملايين درجة مئوية ، و 7 ملايين درجة فهرنهايت).

في النجوم التي يبلغ حجمها حوالي 1.3 مرة من الشمس ، تدفع دورة CNO إنشاء الطاقة. تقوم دورة CNO أيضًا بتحويل الهيدروجين إلى الهيليوم ، ولكنها تعتمد على الكربون والنيتروجين والأكسجين (C ، N ، و O) للقيام بذلك. في الوقت الحالي ، يتم إنشاء أقل من اثنين في المئة من طاقة الشمس بواسطة دورة CNO.

الانصهار النووي بواسطة تفاعل سلسلة PP أو دورة CNO يطلق كميات هائلة من الطاقة في شكل موجات وجزيئات. تتدفق الطاقة الشمسية باستمرار بعيدًا عن الشمس وفي جميع أنحاء النظام الشمسي. الطاقة الشمسية تدفئة الأرض ، وتسبب الرياح والطقس ، وتؤدي إلى الحياة النباتية والحيوانية.

تتدفق الطاقة والحرارة والضوء من الشمس بعيدًا في شكل الإشعاع الكهرومغناطيسي (EMR).

يوجد الطيف الكهرومغناطيسي كموجات من الترددات والأطوال الموجية المختلفة. يمثل تواتر الموجة عدد المرات التي تكرر فيها الموجة نفسها في وحدة زمنية معينة. تكرر الأمواج ذات الأطوال الموجية القصيرة جدًا عدة مرات في وحدة زمنية معينة ، لذلك فهي عالية التردد. في المقابل ، فإن الموجات ذات التردد المنخفض لها أطوال موجية أطول بكثير.

الغالبية العظمى من الموجات الكهرومغناطيسية غير مرئية لنا. أكثر موجات التردد العالية المنبعثة من الشمس هي أشعة جاما ، والأشعة السينية ، والإشعاع فوق البنفسجي (الأشعة فوق البنفسجية). يتم امتصاص أشعة الأشعة فوق البنفسجية الأكثر ضررًا تقريبًا من قبل الغلاف الجوي للأرض. تنتقل الأشعة فوق البنفسجية الأقل قوة عبر الجو ، ويمكن أن تسبب حروق الشمس.

تنبعث الشمس أيضًا من الإشعاع بالأشعة تحت الحمراء ، التي تكون موجاتها منخفضة التردد. تصل معظم الحرارة من الشمس كطاقة بالأشعة تحت الحمراء.

يوجد الطيف المرئي بين الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية ، والذي يحتوي على جميع الألوان التي نراها على الأرض. يحتوي اللون الأحمر على أطول أطوال موجية (الأقرب إلى الأشعة تحت الحمراء) ، والبنفسجي (الأقرب إلى الأشعة فوق البنفسجية) الأقصر.

الطاقة الشمسية الطبيعية

تأثير الدفيئة
تشارك الموجات بالأشعة تحت الحمراء والمرئية والأشعة فوق البنفسجية التي تصل إلى الأرض في عملية تسخين الكوكب وجعل الحياة ممكنة-ما يسمى "تأثير الدفيئة".

حوالي 30 في المئة من الطاقة الشمسية التي تصل إلى الأرض تنعكس مرة أخرى في الفضاء. يتم امتصاص الباقي في جو الأرض. الإشعاع يسخن سطح الأرض ، ويقوم السطح بإشعال بعض الطاقة للخلف في شكل موجات الأشعة تحت الحمراء. مع ارتفاعها في الجو ، يتم اعتراضها بواسطة غازات الدفيئة ، مثل بخار الماء وثاني أكسيد الكربون.

غازات الدفيئة فخ الحرارة التي تعكس احتياطيًا في الغلاف الجوي. وبهذه الطريقة ، يتصرفون مثل الجدران الزجاجية للاحتباس الحراري. هذا تأثير الدفيئة يبقي الأرض دافئة بما يكفي للحفاظ على الحياة.

التمثيل الضوئي
تعتمد كل الحياة على الأرض تقريبًا على الطاقة الشمسية للطعام ، سواء بشكل مباشر أو غير مباشر.

يعتمد المنتجون مباشرة على الطاقة الشمسية. أنها تمتص أشعة الشمس وتحويلها إلى عناصر غذائية من خلال عملية تسمى التمثيل الضوئي. المنتجون ، الذي يطلق عليه أيضًا Autotrophs ، يشملون النباتات والطحالب والبكتيريا والفطريات. Autotrophs هي أساس شبكة الطعام.

يعتمد المستهلكون على المنتجين للمواد المغذية. تعتمد الحيوانات العاشبة والحيوانات آكلة اللحوم والمتنزهية والمنقاحات على الطاقة الشمسية بشكل غير مباشر. الحيوانات العاشبة تأكل النباتات وغيرها من المنتجين. آكلة اللحوم و Omnivores تأكل كل من المنتجين والأعشاب. Detritivores تتحلل المواد النباتية والحيوانية من خلال استهلاكها.

الوقود الأحفوري
التمثيل الضوئي مسؤول أيضًا عن جميع الوقود الأحفوري على الأرض. يقدر العلماء أنه قبل حوالي ثلاثة مليارات عام ، تطورت أولز أوتتروف في البيئات المائية. سمح ضوء الشمس بحياة النبات أن تزدهر وتتطور. بعد وفاة السيارات ، تحللوا وانتقلوا بشكل أعمق في الأرض ، وأحيانًا آلاف الأمتار. استمرت هذه العملية لملايين السنين.

تحت ضغط شديد ودرجات حرارة عالية ، أصبحت هذه البقايا ما نعرفه كوقود أحفوري. أصبحت الكائنات الحية الدقيقة النفط والغاز الطبيعي والفحم.

طور الناس عمليات لاستخراج هذه الوقود الأحفوري واستخدامها للطاقة. ومع ذلك ، فإن الوقود الأحفوري هو مورد غير قابل للتجديد. يأخذون ملايين السنين لتشكيل.

تسخير الطاقة الشمسية

الطاقة الشمسية هي مورد متجدد ، ويمكن للعديد من التقنيات حصادها مباشرة للاستخدام في المنازل والشركات والمدارس والمستشفيات. تشمل بعض تقنيات الطاقة الشمسية الخلايا والألواح الكهروضوئية ، والطاقة الشمسية المركزة ، والهندسة الشمسية.

هناك طرق مختلفة لالتقاط الإشعاع الشمسي وتحويلها إلى طاقة قابلة للاستخدام. تستخدم الطرق إما الطاقة الشمسية النشطة أو الطاقة الشمسية السلبية.

تستخدم تقنيات الطاقة الشمسية النشطة الأجهزة الكهربائية أو الميكانيكية لتحويل الطاقة الشمسية بنشاط إلى شكل آخر من الطاقة ، وغالبًا ما تكون الحرارة أو الكهرباء. تقنيات الطاقة الشمسية السلبية لا تستخدم أي أجهزة خارجية. بدلاً من ذلك ، يستفيدون من المناخ المحلي لتسخين الهياكل خلال فصل الشتاء ، ويعكسون الحرارة خلال فصل الصيف.

الخلايا الكهروضوئية

الكهروضوائية هي شكل من أشكال التكنولوجيا الشمسية النشطة التي اكتشفها الفيزيائي الفرنسي الفرنسي في عام 1839 في عام 1839. اكتشف Becquerel أنه عندما وضع كلوريد الفضة في محلول حمضي وعرضه على أشعة الشمس ، فإن الأقطاب البلاتينية المرفقة بها تولد تيارًا كهربائيًا. وتسمى عملية توليد الكهرباء مباشرة من الإشعاع الشمسي التأثير الكهروضوئي ، أو الخلايا الكهروضوئية.

اليوم ، ربما تكون الخلايا الكهروضوئية هي الطريقة الأكثر دراية لتسخير الطاقة الشمسية. عادة ما تتضمن المصفوفات الكهروضوئية الألواح الشمسية ، مجموعة من العشرات أو حتى مئات الخلايا الشمسية.

تحتوي كل خلية شمسية على أشباه الموصلات ، وعادة ما تكون مصنوعة من السيليكون. عندما يمتص أشباه الموصلات ضوء الشمس ، فإنه يقرع الإلكترونات. يوجه الحقل الكهربائي هذه الإلكترونات فضفاضة إلى تيار كهربائي ، يتدفق في اتجاه واحد. جهات الاتصال المعدنية في أعلى وأسفل الخلية الشمسية توجه التيار إلى كائن خارجي. يمكن أن يكون الكائن الخارجي صغيرًا مثل آلة حاسبة تعمل بالطاقة الشمسية أو كبيرة مثل محطة الطاقة.

تم استخدام الخلايا الكهروضوئية على نطاق واسع على المركبة الفضائية. العديد من الأقمار الصناعية ، بما في ذلك محطة الفضاء الدولية (ISS) ، تتميز "أجنحة" عاكسة للعكس من الألواح الشمسية. يحتوي ISS على جناحين صفيف شمسي (مناشير) ، يستخدم كل منهما حوالي 33000 خلية شمسية. توفر هذه الخلايا الكهروضوئية جميع الكهرباء إلى محطة الفضاء الدولية ، مما يسمح لرواد الفضاء بتشغيل المحطة ، والعيش بأمان في الفضاء لعدة أشهر في وقت واحد ، وإجراء تجارب علمية وهندسة.

تم بناء محطات الطاقة الكهروضوئية في جميع أنحاء العالم. أكبر المحطات في الولايات المتحدة والهند والصين. تنبعث محطات الطاقة هذه المئات من ميجاوات من الكهرباء ، وتستخدم لتزويد المنازل والشركات والمدارس والمستشفيات.

يمكن أيضًا تثبيت التكنولوجيا الكهروضوئية على نطاق أصغر. يمكن تثبيت الألواح والخلايا الشمسية على الأسطح أو الجدران الخارجية للمباني ، مما يوفر الكهرباء للهيكل. يمكن وضعها على طول الطرق إلى الطرق السريعة الخفيفة. الخلايا الشمسية صغيرة بما يكفي لتشغيل الأجهزة الأصغر ، مثل الآلات الحاسبة ، عدادات مواقف السيارات ، ضاغطات القمامة ، ومضخات المياه.

الطاقة الشمسية المركزة

نوع آخر من التكنولوجيا الشمسية النشطة هو الطاقة الشمسية المركزة أو الطاقة الشمسية المركزة (CSP). تستخدم تقنية CSP العدسات والمرايا للتركيز (التركيز) أشعة الشمس من مساحة كبيرة إلى منطقة أصغر بكثير. هذه المنطقة المكثفة من الإشعاع تسخن السائل ، والذي بدوره يولد الكهرباء أو يغذي عملية أخرى.

الأفران الشمسية هي مثال على الطاقة الشمسية المركزة. هناك العديد من الأنواع المختلفة من الأفران الشمسية ، بما في ذلك أبراج الطاقة الشمسية ، وحوض مكافئ ، وعاكسات فريسنل. يستخدمون نفس الطريقة العامة لالتقاط الطاقة وتحويلها.

تستخدم أبراج الطاقة الشمسية Heliostats ، المرايا المسطحة التي تتحول إلى متابعة قوس الشمس عبر السماء. يتم ترتيب المرايا حول "برج جامع" المركزي ، وتعكس أشعة الشمس في شعاع مركّز من الضوء يضيء على نقطة محورية على البرج.

في التصميمات السابقة لأبراج الطاقة الشمسية ، قامت أشعة الشمس المركزة بتسخين حاوية من الماء ، والتي أنتجت البخار الذي يعمل على توربين. في الآونة الأخيرة ، تستخدم بعض أبراج الطاقة الشمسية الصوديوم السائل ، الذي يتمتع بسعة حرارة أعلى ويحتفظ بالحرارة لفترة أطول من الوقت. هذا يعني أن السائل لا يصل فقط إلى درجات حرارة من 773 إلى 1،273 كيلو (500 درجة إلى 1000 درجة مئوية أو 932 درجة إلى 1832 درجة فهرنهايت) ، ولكن يمكن أن تستمر في غلي الماء وتوليد الطاقة حتى عندما لا تكون الشمس مشرقة.

تستخدم الحوض المكافئ وعاكسات Fresnel CSP أيضًا ، لكن المرايا تتشكل بشكل مختلف. المرايا المكافئة منحنية ، مع شكل مشابه لسرج. تستخدم عاكسات Fresnel شرائح مسطحة ورقيقة من المرآة لالتقاط أشعة الشمس وتوجيهها على أنبوب من السائل. عاكسات فريسنل لديها مساحة سطح أكثر من أحواض المكافئات ويمكن أن تركز طاقة الشمس إلى حوالي 30 ضعف شدتها الطبيعية.

تم تطوير محطات الطاقة الشمسية المركزة لأول مرة في الثمانينات. أكبر منشأة في العالم هي سلسلة من النباتات في صحراء موهافي في ولاية كاليفورنيا الأمريكية. يولد نظام توليد الطاقة الشمسية (SEGS) أكثر من 650 جيجاوات ساعة من الكهرباء كل عام. تم تطوير نباتات كبيرة وفعالة أخرى في إسبانيا والهند.

يمكن أيضًا استخدام الطاقة الشمسية المركزة على نطاق أصغر. يمكن أن يولد الحرارة لمطباقير الطاقة الشمسية ، على سبيل المثال. يستخدم الأشخاص في القرى في جميع أنحاء العالم طباخات الطاقة الشمسية لغلي المياه من أجل الصرف الصحي وطهي الطعام.

توفر طهيات الطاقة الشمسية العديد من المزايا على مواقد الحطب: فهي ليست خطراً على الحريق ، ولا تنتج الدخان ، ولا تتطلب الوقود ، وتقلل من فقدان الموائل في الغابات حيث سيتم حصاد الأشجار للوقود. كما يسمح طباخات الطاقة الشمسية للقرويين بمتابعة وقت التعليم أو الأعمال أو الصحة أو العائلة خلال الوقت الذي تم استخدامه سابقًا لجمع الحطب. يتم استخدام الطهي الشمسي في مناطق متنوعة مثل تشاد وإسرائيل والهند وبيرو.

العمارة الشمسية

طوال اليوم ، تعد الطاقة الشمسية جزءًا من عملية الحمل الحراري الحراري ، أو حركة الحرارة من مساحة أكثر دفئًا إلى واحدة أكثر برودة. عندما ترتفع الشمس ، تبدأ في تسخين الأشياء والمواد على الأرض. طوال اليوم ، تمتص هذه المواد الحرارة من الإشعاع الشمسي. في الليل ، عندما تغرب الشمس وتبريد الغلاف الجوي ، تطلق المواد حرارتها مرة أخرى إلى الجو.

تستفيد تقنيات الطاقة الشمسية السلبية من عملية التدفئة والتبريد الطبيعية هذه.

تستخدم المنازل والمباني الأخرى الطاقة الشمسية السلبية لتوزيع الحرارة بكفاءة وبشكل غير مكلف. يعد حساب "الكتلة الحرارية" للمبنى مثالًا على ذلك. الكتلة الحرارية للمبنى هي الجزء الأكبر من المواد التي يتم تسخينها طوال اليوم. أمثلة على الكتلة الحرارية للمبنى هي الخشب أو المعادن أو الخرسانة أو الطين أو الحجر أو الطين. في الليل ، تطلق الكتلة الحرارية حرارتها إلى الغرفة. توصت أنظمة التهوية الفعالة - الحواف والنوافذ والقنوات الجوية - على الهواء المستحضر والحفاظ على درجة حرارة داخلية معتدلة ومتسقة.

غالبًا ما تشارك تكنولوجيا الطاقة الشمسية السلبية في تصميم المبنى. على سبيل المثال ، في مرحلة التخطيط للبناء ، يجوز للمهندس أو المهندس المعماري محاذاة المبنى مع المسار اليومي للشمس لتلقي كميات مرغوبة من أشعة الشمس. تأخذ هذه الطريقة في الاعتبار خط العرض والارتفاع والغطاء السحابي النموذجي لمنطقة معينة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن بناء المباني أو إعادة تجهيزها للحصول على عزل حراري أو كتلة حرارية أو تظليل إضافي.

أمثلة أخرى للهندسة الشمسية السلبية هي الأسطح الباردة ، والحواجز المشعة ، والأسطح الخضراء. الأسطح الباردة مطلية بيضاء ، وتعكس إشعاع الشمس بدلاً من امتصاصه. يقلل السطح الأبيض من كمية الحرارة التي تصل إلى الجزء الداخلي من المبنى ، مما يقلل بدوره من كمية الطاقة اللازمة لتبريد المبنى.

الحواجز المشعة تعمل بشكل مشابه للأسطح الباردة. أنها توفر العزل مع مواد عاكسة للغاية ، مثل رقائق الألومنيوم. تعكس الرقائق ، بدلاً من امتصاص وتسخين ، ويمكن أن تقلل من تكاليف التبريد تصل إلى 10 في المائة. بالإضافة إلى الأسطح والسنات ، قد يتم أيضًا تثبيت الحواجز المشعة تحت الطوابق.

الأسطح الخضراء عبارة عن أسطح مغطاة بالكامل بالنباتات. أنها تتطلب التربة والري لدعم النباتات ، وطبقة مقاومة للماء تحتها. الأسقف الخضراء لا تقلل فقط من كمية الحرارة التي تم امتصاصها أو فقدها ، ولكنها توفر أيضًا الغطاء النباتي. من خلال التمثيل الضوئي ، تمتص النباتات على الأسطح الخضراء ثاني أكسيد الكربون وتنبعث من الأكسجين. يقومون بتصفية الملوثات من مياه الأمطار والهواء ، وتعوض بعض آثار استخدام الطاقة في هذا الفضاء.

كانت الأسطح الخضراء تقليدًا في الدول الاسكندنافية لعدة قرون ، وأصبحت مؤخرًا شائعة في أستراليا وأوروبا الغربية وكندا والولايات المتحدة. على سبيل المثال ، غطت شركة فورد موتور 42000 متر مربع (450،000 قدم مربع) من أسطح مصنع التجميع في ديربورن ، ميشيغان ، مع الغطاء النباتي. بالإضافة إلى تقليل انبعاثات غازات الدفيئة ، تقلل الأسطح من الجريان السطحي لمياه الأمطار عن طريق امتصاص عدة سنتيمترات من الأمطار.

يمكن للأسطح الخضراء والأسطح الباردة أيضًا مواجهة تأثير "جزيرة الحرارة الحضرية". في المدن المزدحمة ، يمكن أن تكون درجة الحرارة أعلى باستمرار من المناطق المحيطة. تساهم العديد من العوامل في ذلك: يتم بناء المدن من مواد مثل الإسفلت والخرسانة التي تمتص الحرارة ؛ المباني الطويلة تمنع الرياح وتأثيرات التبريد ؛ يتم إنشاء كميات كبيرة من حرارة النفايات من خلال الصناعة وحركة المرور والسكان العالية. إن استخدام المساحة المتوفرة على السطح لزراعة الأشجار ، أو عكس الحرارة مع الأسطح البيضاء ، يمكن أن يخفف جزئيًا من الزيادات في درجة الحرارة المحلية في المناطق الحضرية.

الطاقة الشمسية والناس

نظرًا لأن ضوء الشمس يضيء فقط لنحو نصف اليوم في معظم أنحاء العالم ، يتعين على تقنيات الطاقة الشمسية أن تتضمن طرقًا لتخزين الطاقة خلال الساعات المظلمة.

تستخدم أنظمة الكتلة الحرارية شمع البارافين أو أشكال مختلفة من الملح لتخزين الطاقة في شكل حرارة. يمكن أن ترسل الأنظمة الكهروضوئية الكهرباء الزائدة إلى شبكة الطاقة المحلية ، أو تخزين الطاقة في البطاريات القابلة لإعادة الشحن.

هناك العديد من الإيجابيات والسلبيات لاستخدام الطاقة الشمسية.

المزايا
ميزة كبيرة لاستخدام الطاقة الشمسية هي أنها مورد متجدد. سيكون لدينا إمدادات ثابتة لا حدود لها من أشعة الشمس لمدة خمس مليارات أخرى. في غضون ساعة واحدة ، يتلقى الغلاف الجوي للأرض ما يكفي من أشعة الشمس لتشغيل احتياجات الكهرباء لكل إنسان على الأرض لمدة عام.

الطاقة الشمسية نظيفة. بعد إنشاء معدات التكنولوجيا الشمسية ووضعها في مكانها ، لا تحتاج الطاقة الشمسية إلى الوقود للعمل. كما أنه لا ينبعث من غازات الدفيئة أو المواد السامة. يمكن أن يؤدي استخدام الطاقة الشمسية إلى تقليل التأثير لدينا بشكل كبير على البيئة.

هناك مواقع تكون فيها الطاقة الشمسية عملية. المنازل والمباني في المناطق التي لديها كميات كبيرة من أشعة الشمس والغطاء السحابي المنخفض لديها الفرصة لتسخير الطاقة الوفيرة للشمس.

توفر الطهي الشمسي بديلاً ممتازًا للطبخ مع مواقد تعمل بالخشب-لا يزال يعتمد عليها ملياري شخص. توفر الطهي الشمسي طريقة أنظف وأكثر أمانًا لتطهير الماء وطهي الطعام.

تكمل الطاقة الشمسية مصادر الطاقة المتجددة الأخرى ، مثل طاقة الرياح أو الطاقة الكهرومائية.

المنازل أو الشركات التي تثبت الألواح الشمسية الناجحة يمكن أن تنتج بالفعل الكهرباء الزائدة. يمكن لهؤلاء أصحاب المنازل أو ملاك الأعمال بيع الطاقة مرة أخرى إلى مزود الكهرباء ، مما يقلل أو حتى القضاء على فواتير الطاقة.

عيوب
الرادع الرئيسي لاستخدام الطاقة الشمسية هو المعدات المطلوبة. معدات تكنولوجيا الطاقة الشمسية باهظة الثمن. يمكن أن يكلف شراء وتثبيت المعدات عشرات الآلاف من الدولارات للمنازل الفردية. على الرغم من أن الحكومة غالبًا ما تقدم ضرائب مخفضة للأفراد والشركات التي تستخدم الطاقة الشمسية ، ويمكن أن تقضي التكنولوجيا على فواتير الكهرباء ، إلا أن التكلفة الأولية شديدة الانحدار بالنسبة للكثيرين.

معدات الطاقة الشمسية ثقيلة أيضا. من أجل تعديل أو تثبيت الألواح الشمسية على سطح المبنى ، يجب أن يكون السقف قويًا وكبيرًا وموجه نحو مسار الشمس.

تعتمد كل من التكنولوجيا الشمسية النشطة والسلبية على العوامل التي هي خارج سيطرتنا ، مثل المناخ والغطاء السحابي. يجب دراسة المناطق المحلية لتحديد ما إذا كانت الطاقة الشمسية ستكون فعالة في هذا المجال أم لا.

يجب أن تكون ضوء الشمس وفيرة ومتسقة للطاقة الشمسية لتكون خيارًا فعالًا. في معظم الأماكن على الأرض ، يجعل تقلبات Sunlight من الصعب تنفيذها كمصدر للطاقة الوحيد.