استخدام الطاقة الشمسية على الأرض. آفاق استخدام الطاقة الشمسية على الأرض

2024 مؤلف: Henry Conors | [email protected]. آخر تعديل: 2024-02-12 03:35

اليوم ، مشكلة استهلاك الطاقة حادة للغاية - موارد الكوكب ليست بلا حدود ، وخلال وجودها ، دمرت البشرية إلى حد كبير ما أعطته الطبيعة. في الوقت الحالي ، يتم استخراج الفحم والنفط بنشاط ، حيث تقل احتياطياتهما كل يوم. سمحت قوة الفكر للبشرية باتخاذ خطوة لا تصدق في المستقبل واستخدام الطاقة الذرية ، مما جلب إلى جانب هذه النعمة خطرًا كبيرًا على البيئة بأكملها.

القضية البيئية ليست أقل حدة - الاستخراج النشط للموارد واستخدامها الإضافي يؤثر سلبًا على حالة الكوكب ، ولا يغير فقط طبيعة التربة ، ولكن حتى الظروف المناخية.

لهذا السبب تم دائمًا إيلاء اهتمام خاص لمصادر الطاقة الطبيعية ، مثل المياه أو الرياح. أخيرًا ، بعد سنوات عديدة من البحث والتطوير النشط ، "نشأت" البشرية على استخدام الطاقة الشمسية على الأرض. حوله سنناقش أكثر.

ما هو الجاذبية في هذا

قبل الانتقال إلى أمثلة محددة ، دعنا نتعرف على سبب اهتمام الباحثين حول العالم بهذا النوع من إنتاج الطاقة.يمكن أن يطلق على أصولها الرئيسية الاستنفاد. على الرغم من الفرضيات العديدة ، فإن احتمال خروج نجم مثل الشمس في المستقبل القريب ضئيل للغاية. هذا يعني أن البشرية لديها الفرصة لتلقي الطاقة النظيفة بطريقة طبيعية تمامًا.

الميزة الثانية التي لا شك فيها لاستخدام الطاقة الشمسية على الأرض هي الصداقة البيئية لهذا الخيار. سيكون التأثير على البيئة في ظل هذه الظروف صفراً ، والذي بدوره يوفر للعالم بأسره مستقبلاً أكثر إشراقًا من ذلك الذي ينفتح مع الاستخراج المستمر للموارد المحدودة تحت الأرض.

أخيرًا ، يجب إيلاء اهتمام خاص لحقيقة أن استخدام الطاقة الشمسية يشكل أقل خطر على البشر.

حقا

الآن دعنا نصل إلى النقطة. يخفي الاسم الشعري إلى حد ما "الطاقة الشمسية" تحويل الإشعاع إلى كهرباء باستخدام تقنيات مطورة خصيصًا. يتم توفير هذه العملية من خلال الخلايا الكهروضوئية ، والتي تستخدمها البشرية بنشاط كبير لأغراضها الخاصة ، وبنجاح كبير.

الإشعاع الشمسي

حدث تاريخيًا أن يثير اسم "الإشعاع" ارتباطات سلبية أكثر من تلك الإيجابية فيما يتعلق بتلك الكوارث التي من صنع الإنسان والتي تمكن العالم من النجاة منها طوال حياته. ومع ذلك ، فإن تقنية استخدام طاقة الشمس على الأرض توفر للعمل معها.

في الأساس ،هذا النوع من الإشعاع هو إشعاع كهرومغناطيسي يتراوح مداها بين 2.8 و 3.0 ميكرون.

يتكون الطيف الشمسي الذي استخدمته البشرية بنجاح من ثلاثة أنواع من الموجات: الأشعة فوق البنفسجية (حوالي 2٪) ، وحوالي 49٪ عبارة عن موجات ضوئية ، وأخيراً ، نفس الكمية موجودة في الأشعة تحت الحمراء. تحتوي الطاقة الشمسية على عدد قليل من المكونات الأخرى ، لكن دورها ضئيل للغاية بحيث لا يكون لها تأثير خاص على حياة الأرض.

كمية الطاقة الشمسية التي تضرب الأرض

الآن بعد أن تم تحديد تكوين الطيف المستخدم لصالح البشرية ، يجب ملاحظة ميزة أخرى أكثر أهمية لهذا المورد. يبدو استخدام الطاقة الشمسية على الأرض واعدًا جدًا أيضًا لأنها متوفرة بكميات كبيرة إلى حد ما وبأقل تكاليف معالجة تقريبًا. إجمالي كمية الطاقة المنبعثة من النجم عالية للغاية ، ولكن حوالي 47٪ تصل إلى سطح الأرض ، وهو ما يعادل سبعمائة كوادريليون كيلوواط / ساعة. للمقارنة ، نلاحظ أن كيلو وات ساعة واحد فقط يمكنه توفير تشغيل لمدة عشر سنوات لمصباح كهربائي بقوة مائة واط.

تعتمد قوة إشعاع الشمس واستخدام الطاقة على الأرض بالطبع على عدد من العوامل: الظروف المناخية ، وزاوية سقوط الأشعة على السطح ، والموسم ، والموقع الجغرافي.

متى وكم

من السهل تخمين أن الكمية اليومية من الطاقة الشمسية تتساقط على السطحتتغير الأرض باستمرار ، لأنها تعتمد بشكل مباشر على موضع الكوكب بالنسبة للشمس وحركة النجم نفسه. من المعروف منذ فترة طويلة أن الإشعاع يكون عند الظهيرة القصوى ، بينما في الصباح والمساء يكون عدد الأشعة التي تصل إلى السطح أقل بكثير.

يمكننا القول بثقة أن استخدام الطاقة الشمسية سيكون أكثر إنتاجية في المناطق القريبة قدر الإمكان من الشريط الاستوائي ، حيث أن الفرق بين أعلى وأدنى المؤشرات هو الحد الأدنى ، مما يشير إلى أقصى قدر من الإشعاع يصل إلى سطح الكوكب. على سبيل المثال ، في المناطق الصحراوية الأفريقية ، يصل المقدار السنوي للإشعاع إلى متوسط 2200 كيلو واط / ساعة ، بينما في كندا أو ، على سبيل المثال ، أوروبا الوسطى ، لا تتجاوز الأرقام 1000 كيلو واط / ساعة.

الطاقة الشمسية في التاريخ

إذا كنت تفكر على نطاق واسع قدر الإمكان ، فإن محاولات "ترويض" النجم العظيم الذي يدفئ كوكبنا بدأت في العصور القديمة خلال الوثنية ، عندما كان كل عنصر يجسده إله منفصل. ومع ذلك ، بالطبع ، فإن استخدام الطاقة الشمسية لم يكن واردًا - فالسحر ساد في العالم.

بدأ موضوع استخدام طاقة الشمس على الأرض في الظهور بشكل نشط فقط في نهاية القرن الرابع عشر - بداية القرن العشرين. تم تحقيق اختراق حقيقي في العلم في عام 1839 على يد ألكسندر إدموند بيكريل ، الذي تمكن من أن يصبح مكتشفًا للتأثير الكهروضوئي. زادت دراسة هذا الموضوع بشكل كبير ، وبعد 44 عامًا ، تمكن تشارلز فريتس من تصميم الأول على الإطلاقوحدة تعتمد على السيلينيوم المطلي بالذهب. أعطى هذا الاستخدام لطاقة الشمس على الأرض كمية صغيرة من الكهرباء المنبعثة - لم يصل إجمالي كمية الإنتاج بعد ذلك إلى أكثر من 1٪. ومع ذلك ، بالنسبة للبشرية جمعاء ، كان هذا اختراقًا حقيقيًا ، وفتح آفاقًا جديدة للعلم ، والتي لم تكن حتى تحلم بها من قبل.

قدم ألبرت أينشتاين نفسه مساهمة كبيرة في تطوير الطاقة الشمسية. في العالم الحديث ، غالبًا ما يرتبط اسم العالم بنظريته الشهيرة في النسبية ، ولكن في الواقع ، حصل على جائزة نوبل على وجه التحديد لدراسته للتأثير الكهروضوئي الخارجي.

حتى يومنا هذا ، تشهد تقنية استخدام الطاقة الشمسية على الأرض إما صعودًا سريعًا أو سقوطًا سريعًا ، ومع ذلك ، يتم تحديث هذا الفرع من المعرفة باستمرار بحقائق جديدة ، ويمكننا أن نأمل ذلك في المستقبل المنظور ، باب لعالم جديد تماما سيفتح امامنا السلام

الطبيعة ضدنا

لقد تحدثنا بالفعل عن مزايا استخدام طاقة الشمس على الأرض. لننتبه الآن إلى عيوب هذه الطريقة والتي للأسف لا تقل عن ذلك

بسبب الاعتماد المباشر على الموقع الجغرافي والظروف المناخية وحركة الشمس ، فإن إنتاج الطاقة الشمسية بكميات كافية يتطلب تكاليف إقليمية ضخمة. خلاصة القول هي أنه كلما زادت مساحة استهلاك ومعالجة الإشعاع الشمسي ، زادت كمية الطاقة الصديقة للبيئة التي سنحصل عليها عند الإخراج. التنسيب من هذا القبيلتتطلب الأنظمة الضخمة مساحة كبيرة خالية مما يسبب بعض الصعوبات.

مشكلة أخرى تتعلق باستخدام الطاقة الشمسية على الأرض تتعلق مباشرة بالوقت من اليوم ، لأن الجيل سيكون صفرًا في الليل ، وغير مهم للغاية في الصباح والمساء.

عامل خطر إضافي هو الطقس نفسه - يمكن أن يكون للتغيرات المفاجئة في الظروف تأثير سلبي للغاية على تشغيل هذا النوع من النظام ، لأنها تسبب صعوبات في تصحيح الطاقة المطلوبة. بمعنى ما ، المواقف التي يحدث فيها تغيير حاد في كمية الاستهلاك والإنتاج يمكن أن تكون خطيرة.

نظيفة ولكنها باهظة الثمن

استخدام الطاقة الشمسية على الأرض صعب في الوقت الحالي بسبب ارتفاع تكلفتها. الخلايا الكهروضوئية اللازمة لتنفيذ العمليات الرئيسية لها تكلفة عالية إلى حد ما. بالطبع ، الجوانب الإيجابية لاستخدام هذا النوع من الموارد تجعله يؤتي ثماره ، ولكن من وجهة نظر اقتصادية ، في الوقت الحالي لا داعي للحديث عن الاسترداد الكامل للتكاليف النقدية.

ومع ذلك ، كما يظهر الاتجاه ، فإن سعر الخلايا الشمسية ينخفض تدريجيًا ، لذا بمرور الوقت يمكن حل هذه المشكلة تمامًا.

إزعاج العملية

يعد استخدام الشمس كمصدر للطاقة أمرًا صعبًا أيضًا لأن طريقة معالجة الموارد هذه شاقة إلى حد ما وغير مريحة. يعتمد استهلاك ومعالجة الإشعاع بشكل مباشر على نظافة الألواح ، وهو أمر صعب للغاية لضمانه. بالإضافة إلى ذلك ، للغايةيؤثر تسخين العناصر أيضًا سلبًا على العملية ، والتي لا يمكن منعها إلا باستخدام أقوى أنظمة التبريد ، الأمر الذي يتطلب تكاليف مادية إضافية ، وتكاليف كبيرة.

بالإضافة إلى ذلك ، تصبح الألواح المستخدمة في مجمعات الطاقة الشمسية ، بعد 30 عامًا من العمل النشط ، غير صالحة للاستعمال تدريجيًا ، وقد تم ذكر تكلفة الخلايا الشمسية سابقًا.

قضية بيئية

قيل سابقًا أن استخدام هذا النوع من الموارد يمكن أن ينقذ البشرية من مشاكل خطيرة للغاية مع البيئة في المستقبل. مصدر الموارد والمنتج النهائي صديقان للبيئة قدر الإمكان حقًا.

ومع ذلك ، فإن استخدام الطاقة الشمسية ، ومبدأ تشغيل المجمعات الشمسية هو استخدام ألواح خاصة بها خلايا ضوئية ، يتطلب تصنيعها الكثير من المواد السامة: الرصاص والزرنيخ أو البوتاسيوم. لا يتسبب استخدامها في أي ضرر للبيئة ، ومع ذلك ، نظرًا لعمرها المحدود ، بمرور الوقت ، يمكن أن يصبح التخلص من الألواح مشكلة خطيرة.

للحد من التأثير السلبي على البيئة ، ينتقل المصنعون تدريجياً إلى رقائق رقيقة ، والتي لها تكلفة أقل وتأثير أقل ضرراً على البيئة.

طرق تحويل الإشعاع إلى طاقة

الأفلام والكتب حول مستقبل البشرية تكاد تعطينا دائمًا نفس الصورة تقريبًا لهذه العملية ، والتي في الواقع ،قد تختلف بشكل كبير عن الواقع. هناك عدة طرق للتحويل.

الأكثر شيوعًا هو استخدام الخلايا الضوئية الموصوف سابقًا.

كبديل ، تستخدم البشرية بنشاط الطاقة الحرارية الشمسية ، بناءً على تسخين الأسطح الخاصة ، مما يسمح بتسخين المياه بالاتجاه الصحيح لدرجة الحرارة التي تم الحصول عليها. إذا قمت بتبسيط هذه العملية قدر الإمكان ، فيمكن مقارنتها بالخزانات المستخدمة للاستحمام الصيفي في المنازل الخاصة.

طريقة أخرى لاستخدام الإشعاع لتوليد الطاقة هي "الشراع الشمسي" ، والذي يمكن أن يعمل فقط في الفراغ. هذا النوع من الأنظمة يحول الإشعاع إلى طاقة حركية.

مشكلة نقص التوليد ليلاً يتم حلها جزئياً عن طريق محطات توليد الطاقة بالبالونات الشمسية ، والتي يستمر تشغيلها بسبب تراكم الطاقة المنبعثة ومدة عملية التبريد.

نحن والطاقة الشمسية

يتم استخدام موارد الطاقة الشمسية وطاقة الرياح على الأرض بنشاط كبير ، على الرغم من أننا في كثير من الأحيان لا نلاحظ ذلك. في وقت سابق ، سبق ذكر التسخين الشعبي للمياه في الحمام الخارجي. في الواقع ، غالبًا ما يتم استخدام الطاقة الشمسية لهذه الأغراض. ومع ذلك ، هناك العديد من الأمثلة الأخرى: في كل متجر إضاءة تقريبًا ، يمكنك العثور على لمبات تخزين يمكنها العمل بدون كهرباء حتى في الليل بفضل الطاقة المتراكمة أثناء النهار.

المنشآت القائمة على الخلايا الضوئية تستخدم بنشاط في جميع أنواع محطات الضخ وأنظمة التهوية.

أمس ، اليوم ، غدًا

من أهم الموارد البشرية هي الطاقة الشمسية ، واحتمالات استخدامها عالية للغاية. يتم تمويل هذه الصناعة وتوسيعها وتحسينها بنشاط. الآن يتم تطوير الطاقة الشمسية بشكل كبير في الولايات المتحدة ، حيث تستخدمها بعض المناطق كمصدر بديل كامل للطاقة. أيضًا ، تعمل محطات الطاقة من هذا النوع في صحراء موهافي. لطالما اتجهت دول أخرى إلى هذا النوع من توليد الكهرباء ، والذي قد يحل قريبًا مشكلة التلوث البيئي.