حول الطاقة الشمسية : تعريف الطاقة الشمسية

تولد الطاقة الشمسية طاقة متجددة أو "خضراء" من خلال تسخير ضوء الشمس والحرارة.

الألواح الشمسية ، المعروفة أيضًا باسم الخلايا الكهروضوئية ، هي الطريقة الأكثر شيوعًا لتسخير الطاقة الشمسية.

إنها تقريبًا من الحافة إلى الحافة في محطات الطاقة الشمسية لالتقاط أشعة الشمس في الحقول الواسعة.

ستجدها أحيانًا فوق المباني.

تستخدم مواد أشباه الموصلات في صنع الخلايا.

تحرر أشعة الشمس الإلكترونات من ذراتها عندما تصطدم بالخلايا.

يسمح هذا للإلكترونات بالتدفق بحرية عبر الخلية ، مما يؤدي إلى توليد الكهرباء.

يمكن لمجمعات الطاقة الشمسية إنتاج الكهرباء لآلاف الأفراد في وقت واحد على نطاق أوسع بكثير.

تستخدم محطات الطاقة الشمسية الحرارية مجموعة متنوعة من الطرق لتوليد الكهرباء من الشمس.

تُستخدم طاقة الشمس لغلي الماء ، والذي بدوره يقوم بتشغيل توربينات بخارية ، والتي تولد كهرباء مماثلة للفحم أو محطات الطاقة النووية.

تقنيات الطاقة الشمسية

يمكن تسخير الطاقة الشمسية باستخدام ثلاث تقنيات مختلفة:

1. الخلايا الكهروضوئية (PV) ، والتي تحول الضوء مباشرة إلى كهرباء.

2. الطاقة الشمسية المركزة (CSP) ، والتي تستخدم الطاقة الحرارية الشمسية لتشغيل التوربينات الكهربائية على نطاق واسع.

3. أنظمة التدفئة والتبريد بالطاقة الشمسية (SHC) التي تجمع الطاقة الحرارية وتستخدمها لتسخين أو تبريد الماء والهواء.

الخلايا الكهروضوئية (PV)

الخلايا الكهروضوئية (PV) تحرر الطاقة الشمسية الإلكترونات في هذه المواد ، والتي يمكن بعد ذلك تحفيزها للانتقال عبر دائرة كهربائية أو أجهزة تشغيل أو نقل الكهرباء إلى الشبكة.

يمكن استخدام الأدوات الكهروضوئية لتشغيل كل شيء من الآلات الحاسبة إلى إشارات الطرق ، وكذلك المنازل والشركات التجارية الضخمة.

كيف تعمل تقنية الخلايا الكهروضوئية؟

تؤين الفوتونات مادة أشباه الموصلات الموجودة على اللوح الشمسي ، مما يتسبب في كسر الإلكترونات الخارجية روابطها الذرية.

يتم دفع الإلكترونات في اتجاه واحد بواسطة هيكل أشباه الموصلات ، مما يؤدي إلى تدفق تيار كهربائي.

الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون البلوري ليست فعالة بنسبة 100٪ ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أنه يمكن فقط امتصاص أطوال موجية محددة من الضوء.

ينعكس بعض طيف الضوء ، في حين أن البعض الآخر (الأشعة تحت الحمراء) ضعيف جدًا لتوليد الكهرباء ، والبعض الآخر (فوق البنفسجي) يولد طاقة حرارية بدلاً من الكهرباء.

التكنولوجيا الضوئية في أشكال أخرى

هناك نوعان أساسيان من التقنيات الكهروضوئية ، بالإضافة إلى السيليكون البلوري (c-Si):

• تعد الألواح الكهروضوئية الرقيقة جزءًا صغيرًا ولكنه يتوسع بسرعة في أعمال الطاقة الشمسية التجارية.

  العديد من شركات الأغشية الرقيقة هي شركات ناشئة تختبر تقنيات جديدة.

  إنها أقل كفاءة من وحدات c-Si ، على الرغم من أنها غالبًا ما تكون أقل تكلفة.

  توجد المصفوفات الكهروضوئية المركزة في الغالب في الصحراء جنوب غرب الولايات المتحدة.

  إنها تعكس الطاقة الشمسية المركزة على خلايا عالية الكفاءة باستخدام العدسات والمرايا.

• بناء الخلايا الكهروضوئية المتكاملة

تعمل كطبقة خارجية للهيكل وتولد الطاقة للاستخدام في الموقع أو للتصدير إلى الشبكة.

إنها تتطلب أشعة الشمس المباشرة وأجهزة التتبع حتى تكون أكثر نجاحًا.

يمكن لأنظمة BIPV توفير المال على المواد والكهرباء وتقليل التلوث وتحسين المظهر الجمالي للمبنى.

تركيز الطاقة الشمسية (CSP)

تستخدم محطات الطاقة الشمسية المركزة مرايا لتركيز طاقة الشمس ، والتي تُستخدم بعد ذلك لتشغيل التوربينات البخارية التقليدية أو حتى المحركات لتوليد الكهرباء.

يمكن تخزين الطاقة الحرارية المركزة لمحطة الطاقة الشمسية المركزة واستخدامها لتوليد الكهرباء كلما دعت الحاجة ، ليلاً أو نهارًا.

في الولايات المتحدة ، يعمل حاليًا ما يقرب من 1815 ميجاوات (MWac) من منشآت الطاقة الشمسية المركزة.

حوض ذو قطع مكافئ

تركز المرايا المنحنية طاقة الشمس على أنبوب استقبال يعمل على طول مركز الحوض في أنظمة الحوض المكافئ.

يمتص سائل نقل الحرارة عالي الحرارة (مثل الزيت الاصطناعي) طاقة الشمس في أنبوب المستقبل ، ويسخن الماء ، وينتج البخار عن طريق المرور عبر مبادل حراري عند درجات حرارة 750 درجة فهرنهايت أو أعلى.

لتوليد الكهرباء ، يعمل البخار على تشغيل محطة طاقة توربينية بخارية تقليدية.

يتم وضع الآلاف من الصفوف المتوازية من الأحواض المرتبطة كسلسلة من الحلقات على المحور الشمالي الجنوبي بحيث يمكن للأحواض تتبع الشمس من الاتجاه الشرقي إلى الاتجاه الغربي في حقل نموذجي لتجميع الطاقة الشمسية.

تتراوح وحدات التجميع الفردية في الارتفاع من 15 إلى 20 قدمًا إلى 300-450 قدمًا.

عاكس فرينل خطي مدمج

يعتمد CLFR على تقنيات حوض المرآة المنحنية ولكن مع صفوف متوازية طويلة من المرايا المسطحة الأقل تكلفة.

تتركز طاقة الشمس على أجهزة الاستقبال المرتفعة ، والتي تتكون من هيكل الأنابيب التي يتدفق الماء عبرها.

يمكن لأشعة الشمس المركزة أن تغلي الماء ، مما ينتج عنه بخار عالي الضغط يمكن استخدامه مباشرة في محطات توليد الطاقة وتطبيقات البخار الصناعية.

برج الطاقة

يتم استخدام نظام استقبال مركزي في أنظمة أبراج الطاقة ، مما يسمح بدرجات حرارة تشغيلية أعلى وبالتالي كفاءة أعلى.

يتم تتبع الشمس على محورين بواسطة مرايا يتم التحكم فيها بواسطة الكمبيوتر (تسمى heliostats) ، مع التركيز على الطاقة الشمسية على جهاز الاستقبال الموجود أعلى برج مرتفع.

يتم استخدام الطاقة المركزة لتسخين سائل النقل إلى أكثر من 1000 درجة فهرنهايت لتوليد البخار وتشغيل مولد طاقة مركزي.

يمكن أن تتضمن هذه المشاريع تخزين الطاقة بسهولة وفعالية من حيث التكلفة ، مما يتيح توليد الطاقة على مدار 24 ساعة.

محرك الطبق

سطح الطبق المكافئ مغطى بالمرايا التي تركز ضوء الشمس على جهاز الاستقبال المثبت في نقطة محورية.

على عكس تقنيات CSP الأخرى التي تستخدم البخار لتوليد الطاقة عبر التوربينات ، فإن نظام محرك الأطباق هذا يقود محركًا باستخدام سائل عامل مثل الهيدروجين يتم تسخينه إلى 1200 درجة فهرنهايت في جهاز الاستقبال.

لتتبع الشمس ، يدور كل طبق على محورين.

أهم متطلبات محطات الطاقة الشمسية المركزة

• التمويل - تمويل المشروع هو الجانب الأكثر صعوبة في أي بنية تحتية منتجة للطاقة على مستوى المرافق ، بما في ذلك الطاقة الشمسية المركزة.

• مناطق الإشعاع الشمسي العالي - لا ينبغي أن تكون طاقة الشمس منتشرة بشكل مفرط للتركيز عليها.

  يتم استخدام الكثافة الطبيعية المباشرة (DNI) لطاقة الشمس لتحديد ذلك.

• مساحات متجاورة من الأرض ذات غطاء سحابة قليل - محطات الطاقة الشمسية المركزة بقدرة 100 ميجاوات ووظائف أكبر بكفاءة أكبر وبالتالي فعالة من حيث التكلفة.

  بينما تختلف مساحة الأرض المطلوبة اعتمادًا على التكنولوجيا ، تتطلب منشأة الطاقة الشمسية المركزة النموذجية من 5 إلى 10 أفدنة لكل ميجاوات من السعة.

  تخزين الطاقة الحرارية ممكن بسبب مساحة الأرض الأكبر.

• موارد المياه - مثل محطات الطاقة الحرارية المماثلة مثل الفحم والغاز الطبيعي والنووي ، تتطلب معظم أنظمة الطاقة الشمسية المركزة الماء للتبريد.

  لتنظيف المجموعة والأسطح المرآة ، لا يلزم سوى كمية صغيرة من الماء.

  يمكن لمرافق الطاقة الشمسية المركزة استخدام أنظمة التبريد الرطبة والجافة والهجينة لتعزيز الكفاءة في توليد الطاقة والحفاظ على المياه.

• الوصول إلى النقل المتاح والقريب - يجب بناء محطات الطاقة الشمسية المركزة على أرض مناسبة لتوليد الكهرباء ولديها وصول كافٍ إلى شبكة نقل قديمة ومثقلة بالأعباء بسرعة.

  يتطلب بناء مرافق الطاقة الشمسية على نطاق المرافق إمكانية الوصول إلى خطوط نقل عالية المرافق لنقل الكهرباء إلى المستهلكين النهائيين من محطة الطاقة الشمسية.

  يوجد الكثير من نظام النقل الحالي في الجنوب الغربي بكامل طاقته ، وهناك حاجة ماسة إلى ناقل حركة جديد.

أنظمة SHC (التدفئة والتبريد بالطاقة الشمسية) هي نوع من أنظمة التدفئة والتبريد بالطاقة الشمسية.

تلتقط أنظمة التدفئة والتبريد بالطاقة الشمسية (SHC) الطاقة الحرارية للشمس وتستخدمها لإنتاج الماء الساخن وتدفئة الغرفة والتبريد وتدفئة المسابح في البيئات السكنية والتجارية والصناعية.

لم تعد هناك حاجة للكهرباء والغاز الطبيعي بسبب هذه التقنيات.

يتم تصنيع حلول التدفئة والتبريد بالطاقة الشمسية وتركيبها في جميع أنحاء العالم ، مما يقلل اعتمادنا على الوقود المستورد بشكل كبير.

لتوسيع هذا القطاع سريع النمو والمخلق للوظائف ، تحتاج الحكومات إلى سياسات حكيمة.

تخزين الطاقة الشمسية

تحتوي الألواح الشمسية على عيب واحد يمكن أن يوافق عليه حتى أكثر دعاة الطاقة الشمسية حماسة: إنها تولد الطاقة فقط عندما تكون الشمس مشرقة.

من ناحية أخرى ، تحدث ذروة استخدام الطاقة في الليل ، بالتزامن مع انخفاض توليد الطاقة الشمسية مما يؤدي إلى مشكلة العرض والطلب.

من ناحية أخرى ، تنتج الألواح الشمسية في كثير من الأحيان طاقة كافية خلال ساعات انخفاض الطلب عندما تكون الشمس مشرقة لتلبية ذروة الطلب بعد ذلك في اليوم.

هذا يعني أن التخزين الفعال للطاقة الشمسية يمكن أن يوفر مجموعة واسعة من الفوائد لكل من أصحاب المنازل والشركات.

يجب أن تغطي هذه المقالة فوائد تخزين الطاقة الشمسية ، وكيف تعمل ، وكيف يمكن أن تساعد.

ما هي مزايا تخزين الطاقة الشمسية؟

يعد تخزين الطاقة الزائدة أمرًا بالغ الأهمية لاستخراج الحد الأقصى من نظام الألواح الشمسية.

يمكن أن يؤدي إلى توفير التكاليف ، وشبكات طاقة أكثر فعالية ، وانبعاثات أقل للوقود الأحفوري.

هناك عدة مزايا لتخزين الطاقة الشمسية:

1. موازنة الحمل الكهربائي

في حالة عدم تخزين الكهرباء ، يجب استهلاكها فور توليدها.

يتيح تخزين الطاقة تخزين فائض توليد الطاقة لذروة الطلب.

عندما يتعلق الأمر بالطاقة المتجددة ، فإن تخزين الطاقة الزائدة يعني السماح للأضواء بالبقاء مضاءة حتى عند غروب الشمس ، أو توقف الرياح عن هبوبها.

ببساطة ، يسمح تخزين الطاقة بخزان طاقة يتم شحنه عندما يكون الطلب منخفضًا ، ويكون التوليد مرتفعًا ، ثم يتم إطلاقه عندما يزداد الطلب وينخفض التوليد.

2. سد الثغرات.

يضمن تخزين الطاقة الشمسية على المدى القصير تدفقًا ثابتًا للطاقة أثناء انقطاع المولد ، مثل الصيانة الروتينية أو مرور السحب.

3. مرونة الطاقة.

من حرائق الغابات إلى العواصف الشديدة ، فإن الشبكة الكهربائية عرضة للاضطرابات والانقطاعات.

من خلال اللامركزية حيث نحصل على طاقتنا ، يوفر تخزين الطاقة الشمسية فقاعة واقية أثناء الأحداث الكارثية.

ما هي أفضل طريقة لتخزين الطاقة الشمسية؟

يمكن تصنيف تخزين الطاقة الشمسية إلى ثلاثة أجزاء: الحرارية ، والبطارية ، والميكانيكية.

دعونا نلقي نظرة على كل واحد على حدة.

ما هو التخزين الحراري؟

يمتص تخزين الطاقة الحرارية الحرارة من الشمس ويحتفظ بها باستخدام مجموعة متنوعة من المواد ، مثل الماء أو الملح المصهور.

يتم الاحتفاظ بهذه الوسيلة الساخنة في الخزان المعزول حتى يحين وقت الاستخدام ، وهو عادة لغلي الماء لإنتاج الطاقة.

ما هو تخزين البطارية؟

يمكن أيضًا استخدام البطاريات الكهروكيميائية لتخزين الطاقة الشمسية.

عندما يتم حقن الطاقة الشمسية في بطارية ، يتم تخزين الطاقة من خلال عملية كيميائية بين مكونات البطارية.

عندما تنفد البطارية ، ينعكس التفاعل ، مما يسمح للتيار بالخروج من البطارية.

بطاريات الليثيوم أيون هي أكثر أنواع البطاريات شيوعًا المستخدمة في التطبيقات الشمسية ، فضلاً عن أن تقنية البطاريات الجديدة تتطور بسرعة ، وتعد حلول تخزين بطاريات إضافية أرخص وقابلة للتطوير.

في الواقع ، بحلول عام 2025 ، من المتوقع أن يصل التخزين السنوي للطاقة في المملكة المتحدة إلى 7.5 جيجاوات تقريبًا ، بزيادة ستة أضعاف عن عام 2020 ، مما يخلق قيمة سوقية تزيد عن 7.3 مليار دولار.

ما هو التخزين الميكانيكي؟

لتوليد الكهرباء ، يستخدم تخزين الطاقة الميكانيكية الطاقة المستقبلية للجسم.

يتم تحويل الطاقة الكهربائية الفائضة إلى طاقة ميكانيكية ، ثم يتم تحويلها مرة أخرى إلى طاقة لاستخدامها لاحقًا.

تنقسم أجهزة تخزين الطاقة الميكانيكية إلى ثلاث فئات:

• دولاب الموازنة. يستفيد هذا النهج من فائض الطاقة لتدوير دولاب الموازنة ، والذي ينتج بعد ذلك الكهرباء لتلبية ذروة الطلب.

• ضخ المياه. يتم ضخ المياه إلى أعلى إلى خزان فوق مولدات التوربينات في ضخ المياه.

  عندما يكون هناك طلب كبير على الطاقة ، يُسمح للمياه بالمرور عبر التوربينات وإنتاج الكهرباء.

• هواء مضغوط. يتم حقن الهواء المضغوط في أوعية ضخمة مثل الخزانات أو التكوينات تحت الأرض باستخدام تقنية تخزين الطاقة هذه.

  أثناء ذروة الطلب ، يتم تفريغ الهواء لتوليد الطاقة.

تخزين الطاقة الشمسية الأكثر فعالية

لا توجد إجابة واحدة تناسب الجميع لتخزين الطاقة الشمسية.

تعتمد خيارات تخزين الطاقة الشمسية على احتياجاتك ومواردك.

دعنا نلقي نظرة على بعض بدائل تخزين الطاقة الشمسية الأكثر انتشارًا للاستخدام التجاري والسكني.

تخزين الطاقة الشمسية التجارية

التخزين الميكانيكي والحراري حلول قابلة للتطبيق لشركات المرافق والمؤسسات الأخرى ذات الميزانيات الأكبر من الأفراد.

على الرغم من أن أنظمة التخزين هذه قد تكون باهظة الثمن ، إلا أنها تساعد المرافق في تلبية ذروة الطلب على الطاقة.

• تخزين طاقة الشبكة يضم بطاريات من الجيل التالي. في الولايات المتحدة ، كان عام 2020 عامًا بارزًا في مجال تخزين الطاقة الجديدة.

  قامت الدولة بتركيب 476 ميجاوات من التخزين الإضافي في الربع الثالث وحده ، بزيادة 240٪ عن إجمالي الربع السابق الذي حطم الرقم القياسي.

  على الرغم من أن غالبية عمليات النشر الجديدة عبارة عن أنظمة تخزين مدتها ساعة واحدة أمام العداد (FTM) ، إلا أنها توفر لمحة واعدة عن مستقبل تخزين الطاقة الشمسية التجارية.

• هواء مضغوط. وفقًا لأحدث التقديرات الحكومية ، يكلف الهواء المضغوط 105 دولارات لكل كيلو وات ساعة ، مما يجعله البديل الأكثر فعالية من حيث التكلفة للتخزين الميكانيكي للتطبيقات واسعة النطاق.

• ضخ المياه. يمكن استخدام الطاقة الشمسية التي لا يتم استهلاكها لضخ المياه لأعلى ، وتوليد كمية هائلة من الطاقة الكامنة.

  تبلغ تكلفة ضخ المياه ما يقرب من 165 دولارًا أمريكيًا / كيلوواط ساعة في الوقت الحالي ، مما يجعلها ثاني أفضل خيار لتخزين الطاقة الميكانيكية على نطاق واسع.

  ومع ذلك ، نظرًا لأن الطاقة المائية الجديدة التي يتم ضخها تنطوي على تكاليف أولية كبيرة وعقبات تنظيمية كبيرة ، فهي قابلة للتطبيق فقط في أماكن محددة.

تخزين الطاقة الشمسية المنزلية

إن توفير التكاليف والمرونة واللامركزية في إنتاج الكهرباء (المعروفة أحيانًا باسم "محطات الطاقة الافتراضية") ليست سوى عدد قليل من مزايا الطاقة الشمسية السكنية.

ومع ذلك ، فإن حلول تخزين الطاقة التجارية التي ذكرناها أعلاه من المحتمل أن تكون باهظة التكلفة لصاحب المنزل العادي.

لحسن الحظ ، يمكن أن يوفر تخزين البطارية للأسر حلاً فعالاً من حيث التكلفة وموثوقًا لتخزين الطاقة الشمسية.

تعد بطاريات الليثيوم أيون الخيار الأكثر شيوعًا لتخزين الطاقة الشمسية في المنزل.

إنها غير مكلفة (وتصبح أرخص) ، ولها صورة منخفضة ، ويمكن استخدامها لمجموعة متنوعة من الأغراض.

بطاريات المياه المالحة وبطاريات الرصاص الحمضية نوعان آخران من البطاريات المستخدمة غالبًا في المنازل.

بغض النظر عن نوع البطارية ، تسمح البطاريات الاحتياطية المنزلية لأصحاب المنازل بالحفاظ على الطاقة أثناء فترات الإنتاج المرتفع وانخفاض الطلب (على سبيل المثال ، طوال يوم العمل) للاستخدام أثناء فترات ارتفاع الطلب عند انخفاض التوليد.

تتشابه فوائد تخزين الطاقة الشمسية في المنزل مع فوائد تخزين الطاقة الشمسية على نطاق واسع ، مما يؤدي إلى المرونة ، والكهرباء غير المنقطعة ، وتوفير التكاليف.

يتم نقل هذه المزايا إلى صاحب المنزل.

إذن ، كيف تعمل البطاريات بالضبط؟

البطاريات هي الجهاز الذي يحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية.

وهي مكونة من قطبين كهربائيين ، أنود ، وكاثود ، يتكونان من مواد موصلة ويفصل بينهما فاصل.

يقع المنحل بالكهرباء ، وهو مادة كيميائية تتكون من أيونات ، بين الأنود والكاثود ، ويتفاعل مع العناصر الموصلة للكاثود والأنود لإنتاج تيار كهربائي.

تتسبب تفاعلات الأكسدة والاختزال الكيميائي (تقليل الأكسدة) في الأقطاب الكهربائية في انتقال الأيونات بين القطبين الكهربائيين وإطلاق الإلكترونات من قطب كهربائي واحد.

تتجمع الإلكترونات الحرة عند قطب كهربائي واحد ، مما يؤدي إلى اختلاف الشحنات التي ستحاول الإلكترونات موازنةها بالانتقال إلى القطب الآخر.

من ناحية أخرى ، يمنعهم الفاصل من الحركة ، مما يؤدي إلى كسر الدائرة الكهربائية بشكل فعال.

يمكن أن تتحرك الإلكترونات بين الأقطاب الكهربائية بعد تشكيل الدائرة (يتم ربط كل من القطب الموجب والكاثود) ، ونفاد البطارية بشكل فعال.

أنواع مختلفة من البطاريات

تأتي البطاريات في مجموعة متنوعة من الخصائص الكيميائية ودورات الحياة وكثافة الطاقة ودرجات حرارة التشغيل ومعلمات كثافة الطاقة.

فيما يلي أكثر تقنيات البطاريات شيوعًا:

• حمض الرصاص (PbA)

• هيدريد النيكل والمعدن (NiMH)

• نيكل - كاديوم (NiCd)

• ليثيوم أيون (ليثيوم أيون)

• كبريت الصوديوم (NaS)

• الكربون والزنك و) الزنك والبروم

ملخص تعريف الطاقة الشمسية

مع تحول المزيد من الناس إلى الطاقة المتجددة والخضراء ، من الأهمية بمكان فهم مزايا وعيوب كل منها.

قبل التحول إلى مصدر طاقة حديث وأكثر اخضرارًا ، حاول وضع ميزانية يمكنك أنت وعائلتك تحملها.

ثم اكتشف كم سيكلفك اختيار الطاقة الشمسية على المدى الطويل والمبلغ الذي ستدخره.

قم بعمل قائمة بالمزايا والعيوب الخاصة بك ولأسرتك حتى تفهم بشكل أفضل الحلول التي تفيدك أكثر من غيرها.