الطاقة الشمسية هي ضوء مشع وحرارة من الشمس يتم تسخيرها باستخدام مجموعة من التقنيات المتطورة باستمرار مثل التدفئة الشمسية ، والخلايا الشمسية ، والطاقة الحرارية الشمسية ، والهندسة الشمسية ، ومحطات توليد الطاقة المصهورة بالملح ، والتمثيل الضوئي الصناعي.
وهو مصدر مهم للطاقة المتجددة وتكنولوجياتها تتميز على نطاق واسع إما بالطاقة الشمسية أو الطاقة الشمسية النشطة اعتمادا على كيفية التقاط وتوزيع الطاقة الشمسية أو تحويلها إلى طاقة شمسية. تتضمن تقنيات الطاقة الشمسية النشطة استخدام أنظمة الطاقة الضوئية والطاقة الشمسية المركزة وتسخين المياه بالطاقة الشمسية لتسخير الطاقة. تتضمن التقنيات الشمسية السلبية توجيه مبنى إلى الشمس ، واختيار المواد ذات الكتلة الحرارية المفضلة أو خصائص تفريق الضوء ، وتصميم مساحات تعميم الهواء بشكل طبيعي.
الحجم الكبير للطاقة الشمسية المتاحة يجعلها مصدرًا جذابًا للغاية للكهرباء. ووجد برنامج الأمم المتحدة الإنمائي في تقييمه العالمي للطاقة لعام 2000 أن الإمكانات السنوية للطاقة الشمسية هي 1،575-49،837 من الطوارق (EJ). هذا هو أكبر بعدة مرات من إجمالي استهلاك الطاقة في العالم ، والذي كان 559.8 EJ في عام 2012.
في عام 2011 ، قالت وكالة الطاقة الدولية أن “تطوير تكنولوجيات الطاقة الشمسية التي لا يمكن إنضهارها والتي لا ينضب ونظيفة ستحقق فوائد ضخمة على المدى الطويل. وسيزيد من أمن الطاقة في البلدان من خلال الاعتماد على مورد أصلي لا ينضب ويستورد في الغالب ، تعزيز الاستدامة ، والحد من التلوث ، وخفض تكاليف تخفيف الاحترار العالمي ، والحفاظ على أسعار الوقود الأحفوري أقل من غير ذلك ، وهذه المزايا عالمية ؛ ومن ثم ينبغي اعتبار التكاليف الإضافية لحوافز الانتشار المبكر استثمارات تعليمية ؛ ويجب أن يتم إنفاقها بحكمة و يجب أن تكون مشتركة على نطاق واسع “.
محتمل
تستقبل الأرض 174 بيتا واط (PW) من الإشعاع الشمسي القادم (التشبع) في الغلاف الجوي العلوي. تنعكس نسبة 30٪ تقريبًا في الفضاء بينما يتم امتصاص الباقي من خلال السحب والمحيطات والكتل الأرضية. ينتشر طيف الضوء الشمسي الموجود على سطح الأرض في الغالب عبر النطاقات المرئية وقريبة من الأشعة تحت الحمراء مع جزء صغير من الأشعة فوق البنفسجية. يعيش معظم سكان العالم في مناطق بها مستويات شظايا تتراوح بين 150 و 300 واط / متر مربع ، أو 3.5-7.0 كيلو واط في الساعة / متر مربع في اليوم.
يتم امتصاص الإشعاع الشمسي بواسطة سطح الأرض ، والمحيطات – التي تغطي حوالي 71٪ من الكرة الأرضية – والغلاف الجوي. الهواء الدافئ الذي يحتوي على الماء المتبخر من المحيطات يرتفع ، مما يؤدي إلى دوران الغلاف الجوي أو الحمل الحراري. عندما يصل الهواء إلى ارتفاع عالٍ ، حيث تكون درجة الحرارة منخفضة ، يتكثف بخار الماء في السحب ، التي تمطر على سطح الأرض ، لتكمل دورة الماء. تزيد الحرارة الكامنة لتكثيف الماء الحمل الحراري ، وتنتج ظواهر في الغلاف الجوي مثل الرياح والأعاصير والأعاصير المضادة. يحافظ ضوء الشمس الممتص من المحيطات والكتل الأرضية على السطح بمتوسط درجة حرارة 14 درجة مئوية. من خلال التمثيل الضوئي ، تقوم النباتات الخضراء بتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة مخزنة كيميائياً ، تنتج الغذاء والخشب والكتلة الحيوية المشتقة من الوقود الأحفوري.
إن إجمالي الطاقة الشمسية التي يمتصها الغلاف الجوي للمحيطات والمحيطات والكتل الأرضية تبلغ حوالي 3،850،000 من الغازات الطارئة (EJ) سنوياً. في عام 2002 ، كانت هذه الطاقة أكثر في ساعة واحدة من العالم المستخدم في عام واحد. التمثيل الضوئي يلتقط ما يقرب من 3000 EJ سنويا في الكتلة الحيوية. كمية الطاقة الشمسية التي تصل إلى سطح الكوكب شاسعة لدرجة أنه في عام واحد يكون ضعف ما يمكن الحصول عليه من جميع موارد الأرض غير المتجددة من الفحم والنفط والغاز الطبيعي واليورانيوم المستخرج من الألغام. ،
تختلف الطاقة الشمسية المحتملة التي يمكن استخدامها من قبل البشر عن كمية الطاقة الشمسية الموجودة بالقرب من سطح الكوكب ، لأن عوامل مثل الجغرافيا ، وتغير الوقت ، والغطاء السحابي ، والأرض المتاحة للبشر تحد من كمية الطاقة الشمسية التي نستخدمها. يمكن الحصول عليها.
يؤثر الجغرافيا على الطاقة الشمسية لأن المناطق القريبة من خط الاستواء لديها كمية أكبر من الإشعاع الشمسي. ومع ذلك ، فإن استخدام الخلايا الكهروضوئية التي يمكنها تتبع وضع الشمس يمكن أن يزيد بشكل كبير من طاقة الطاقة الشمسية في المناطق البعيدة عن خط الاستواء. يؤثر تباين الوقت على طاقة الطاقة الشمسية لأنه خلال الليل يكون هناك القليل من الإشعاع الشمسي على سطح الأرض حتى تتمكن الألواح الشمسية من امتصاصه. هذا يحد من كمية الطاقة التي يمكن أن تمتصها الألواح الشمسية في يوم واحد. يمكن أن يؤثر الغطاء السحابي على إمكانات الألواح الشمسية لأن الغيوم تمنع دخول الضوء الوارد من الشمس وتقليل الضوء المتاح للخلايا الشمسية.
وبالإضافة إلى ذلك ، فإن توافر الأراضي له تأثير كبير على الطاقة الشمسية المتاحة لأن الألواح الشمسية لا يمكن وضعها إلا على أرض غير مستخدمة وغير ملائمة للألواح الشمسية. تم العثور على أسطح لتكون مكانًا مناسبًا للخلايا الشمسية ، حيث اكتشف العديد من الأشخاص أنهم يستطيعون جمع الطاقة مباشرةً من منازلهم بهذه الطريقة. المناطق الأخرى المناسبة للخلايا الشمسية هي الأراضي التي لا يتم استخدامها في الأعمال التي يمكن إنشاء محطات الطاقة الشمسية فيها.
تتميز تقنيات الطاقة الشمسية بأنها إما سلبية أو نشطة تبعاً للطريقة التي تلتقط بها وتحول وتوزع أشعة الشمس وتمكن من تسخير الطاقة الشمسية على مستويات مختلفة حول العالم ، تعتمد في الغالب على المسافة من خط الاستواء. على الرغم من أن الطاقة الشمسية تشير في المقام الأول إلى استخدام الإشعاع الشمسي لأغراض عملية ، إلا أن جميع الطاقات المتجددة ، بخلاف الطاقة الحرارية الأرضية والطاقة المدّية ، تستمد طاقتها إما بشكل مباشر أو غير مباشر من الشمس.
تستخدم التقنيات الشمسية النشطة الطاقة الشمسية ، والطاقة الشمسية المركزة ، والمجمعات الحرارية الشمسية ، والمضخات ، والمراوح لتحويل ضوء الشمس إلى مخرجات مفيدة. تتضمن تقنيات الطاقة الشمسية السلبية اختيار مواد ذات خصائص حرارية مواتية ، وتصميم مساحات تعميم الهواء بشكل طبيعي ، والإشارة إلى موقع المبنى إلى الشمس. وتزيد تكنولوجيات الطاقة الشمسية النشطة من إمدادات الطاقة وتعتبر تكنولوجيات جانب العرض ، في حين تقلل التكنولوجيات الشمسية السلبية من الحاجة إلى موارد بديلة وتعتبر عموما تكنولوجيات جانب الطلب.
في عام 2000 ، نشر برنامج الأمم المتحدة الإنمائي ، وإدارة الأمم المتحدة للشؤون الاقتصادية والاجتماعية ، ومجلس الطاقة العالمي تقديراً للطاقة الشمسية المحتملة التي يمكن استخدامها من قبل البشر كل عام والتي تأخذ في الاعتبار عوامل مثل التشميس ، الغطاء السحابي ، و الأرض التي يمكن استخدامها من قبل البشر. ووجدت التقديرات أن الطاقة الشمسية لديها إمكانية عالمية تتراوح بين 1،575 و 49.837 في العام (انظر الجدول أدناه).
طاقة حرارية
يمكن استخدام التقنيات الحرارية الشمسية لتسخين المياه ، تسخين المساحات ، تبريد الفضاء وتوليد الحرارة العملية.
التكيف التجاري المبكر
في عام 1878 ، في المعرض العالمي في باريس ، أظهر أوغستين موشوت بنجاح محرك بخار الشمس ، لكنه لم يستطع مواصلة التطوير بسبب الفحم الرخيص وعوامل أخرى.
في عام 1897 ، قام فرانك شومان ، وهو مخترع أمريكي ومهندس ورائد في مجال الطاقة الشمسية ، ببناء محرك شمسي مظاهرة صغير يعمل من خلال عكس الطاقة الشمسية على صناديق مربعة مليئة بالإثير ، والتي تحتوي على نقطة غليان أقل من الماء ، وتم تركيبها داخليًا باللون الأسود الأنابيب التي بدورها تعمل بالطاقة محرك البخار. في عام 1908 ، شكلت شركة شومان شركة صن باور بنية بناء محطات طاقة شمسية أكبر. طوّر هو ، مع مستشاره التقني ASE Ackermann والفيزيائي البريطاني السير تشارلز فيرنون بويز ، نظامًا مُحسّنًا يستخدم المرايا لتعكس الطاقة الشمسية في صناديق التجميع ، مما يزيد من سعة التسخين لدرجة أنه يمكن الآن استخدام الماء بدلاً من الأثير. بعد ذلك قام شومان ببناء محرك بخاري واسع النطاق مدعوم بمياه منخفضة الضغط ، مما مكنه من تسجيل براءة اختراع نظام المحرك الشمسي بأكمله بحلول عام 1912.
بنى شومان أول محطة للطاقة الحرارية الشمسية في العالم في المعادي ، مصر ، بين 1912 و 1913. استخدم مصنعه أحواض مكافئة لتشغيل محرك 45-52 كيلوواط (60-7 حصان) الذي ضخ أكثر من 22000 لتر (4800 طن متري) ؛ 5،800 الولايات المتحدة) من الماء في الدقيقة من نهر النيل إلى حقول القطن المجاورة. على الرغم من أن اندلاع الحرب العالمية الأولى واكتشاف النفط الرخيص في الثلاثينات من القرن العشرين لم يشجع على تقدم الطاقة الشمسية ، إلا أن رؤية شومان والتصميم الأساسي قد تم إحياؤها في السبعينيات مع موجة جديدة من الاهتمام بالطاقة الحرارية الشمسية. في عام 1916 ، تم اقتباس شومان في وسائل الإعلام التي تنادي باستخدام الطاقة الشمسية قائلاً:
تسخين المياه
تستخدم أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية ضوء الشمس لتسخين المياه. في خطوط العرض الجغرافية المنخفضة (أقل من 40 درجة) من 60 إلى 70٪ من الاستخدام المنزلي للمياه الساخنة مع درجات حرارة تصل إلى 60 درجة مئوية يمكن توفيرها بواسطة أنظمة التدفئة الشمسية. الأنواع الأكثر شيوعًا من سخانات المياه بالطاقة الشمسية هي جامعات الأنبوب المفرغة (44٪) وجامعات الألواح المسطحة المزججة (34٪) المستخدمة عمومًا في الماء الساخن المنزلي ؛ وتستخدم جامعي البلاستيك غير المزجج (21 ٪) أساسا لتسخين حمامات السباحة.
اعتبارا من عام 2007 ، كان إجمالي القدرة المركبة لنظم المياه الساخنة الشمسية حوالي 154 جيجاوات حرارية (GW). الصين هي الرائدة عالميا في انتشارها مع 70 جيجاوات تم تركيبها اعتبارا من عام 2006 وهدف طويل الأجل هو 210 جيجاوات بحلول عام 2020. إسرائيل وقبرص هما القائمتان للفرد في استخدام أنظمة المياه الساخنة الشمسية مع أكثر من 90 ٪ من المنازل تستخدم معهم. في الولايات المتحدة وكندا وأستراليا ، تعتبر أحواض السباحة للتدفئة هي الاستخدام السائد لمياه ساخنة بالطاقة الشمسية بطاقة 18 جيجاواط في عام 2005.
التدفئة والتبريد والتهوية
في الولايات المتحدة ، تمثل أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) 30٪ (4.65 EJ / yr) من الطاقة المستخدمة في المباني التجارية وحوالي 50٪ (10.1 EJ / yr) من الطاقة المستخدمة في المباني السكنية. يمكن استخدام تقنيات التدفئة بالطاقة الشمسية والتبريد والتهوية لتعويض جزء من هذه الطاقة.
الكتلة الحرارية هي أي مادة يمكن استخدامها لتخزين الحرارة – الحرارة من الشمس في حالة الطاقة الشمسية. تشمل مواد الكتلة الحرارية المشتركة الحجر والاسمنت والماء. تاريخيا ، تم استخدامها في المناخات القاحلة أو المناطق المعتدلة الدافئة للحفاظ على المباني باردة عن طريق امتصاص الطاقة الشمسية خلال النهار وإشعاع الحرارة المخزنة إلى الجو الأكثر برودة في الليل. ومع ذلك ، يمكن استخدامها في المناطق المعتدلة الباردة للحفاظ على الدفء كذلك. يعتمد حجم ومكان الكتلة الحرارية على العديد من العوامل مثل المناخ ، وضوء النهار وظروف التظليل. عند الدمج الصحيح ، تحافظ الكتلة الحرارية على درجات حرارة الفضاء في نطاق مريح وتقلل من الحاجة إلى معدات التدفئة والتبريد الإضافية.
مدخنة شمسية (أو مدخنة حرارية ، في هذا السياق) عبارة عن نظام تهوية بالطاقة الشمسية يتكون من عمود رأسي يربط بين الداخل والخارج من المبنى. مع ارتفاع درجة حرارة المدخنة ، يتم تسخين الهواء الداخل مما يؤدي إلى سحب الهواء من خلال المبنى. يمكن تحسين الأداء باستخدام مواد التزجيج والكتلة الحرارية بطريقة تحاكي البيوت الزجاجية.
تم تعزيز الأشجار والنباتات النفضية كوسيلة للتحكم في التسخين والتبريد بالطاقة الشمسية. عندما تزرع على الجانب الجنوبي من مبنى في نصف الكرة الشمالي أو في الجانب الشمالي في نصف الكرة الجنوبي ، فإن أوراقها توفر الظل خلال الصيف ، بينما تسمح الأطراف العارية بالضوء بالمرور خلال فصل الشتاء. وبما أن الأشجار العارية الخالية من الأوراق تكشف عن 1/3 إلى 1/2 من الإشعاع الشمسي الذي يحدث ، فهناك توازن بين فوائد التظليل الصيفي وفقدان التدفئة في فصل الشتاء. في المناخات التي تحتوي على أحمال تسخين كبيرة ، يجب عدم زراعة الأشجار المتساقطة على الجانب المواجه لخط الاستواء في مبنى لأنها ستتداخل مع توفر الطاقة الشمسية في فصل الشتاء. ومع ذلك ، يمكن استخدامها على الجانبين الشرقي والغربي لتوفير درجة من التظليل الصيفي دون التأثير بشكل ملحوظ على كسب الطاقة الشمسية في فصل الشتاء.
طبخ
تستخدم المواقد الشمسية ضوء الشمس للطهي والتجفيف والبسترة. يمكن تجميعها في ثلاث فئات عريضة: مواقد الصندوق ، وأجهزة الطهي ، وأجهزة الطهي العاكسة. أبسط طباخ شمسي هو طباخ الصندوق الذي بناه هوراس دي سوسور لأول مرة في عام 1767. طباخ صندوق أساسي يتكون من وعاء معزول بغطاء شفاف. يمكن استخدامه بفعالية مع السماء الملبدة بالغيوم جزئياً ، وسوف يصل عادة إلى درجات حرارة تتراوح من 90 إلى 150 درجة مئوية (194-302 درجة فهرنهايت). تستخدم مواقد الألواح لوحة عاكسة لتوجيه أشعة الشمس المباشرة إلى حاوية معزولة والوصول إلى درجات حرارة قابلة للمقارنة مع مواقد الصندوق. تستخدم المواقد العاكسة أشكال هندسية مختلفة (طبق ، حوض ، مرايا فريسنل) لتركيز الضوء على وعاء للطهي. تصل درجة حرارة هذه المواقد إلى 315 درجة مئوية (599 درجة فهرنهايت) وما فوق ولكنها تحتاج إلى إضاءة مباشرة لتعمل بشكل صحيح ويجب تغيير موضعها لتتبع الشمس.
حرارة المعالجة
يمكن لتقنيات التركيز الشمسي مثل الطبق المكافئ والحوض وعوازل Scheffler توفير حرارة التشغيل للتطبيقات التجارية والصناعية. كان النظام التجاري الأول هو مشروع الطاقة الشمسية الكلي (STEP) في Shenandoah ، جورجيا ، الولايات المتحدة الأمريكية حيث قدم 114 طبق مكافئ 50٪ من عملية التدفئة وتكييف الهواء والمتطلبات الكهربائية لمصنع ملابس. ويوفر نظام التوليد المشترك المتصل بالشبكة هذا 400 كيلوواط من الكهرباء بالإضافة إلى الطاقة الحرارية في شكل بخار يبلغ وزنه 401 كيلو واط ومياه مبردة بقدرة 468 كيلوواط ، وكان لديه تخزين حراري لذروة لمدة ساعة واحدة. أحواض التبخير هي برك ضحلة تركز المواد الصلبة الذائبة من خلال التبخر. يعد استخدام برك التبخير للحصول على الملح من مياه البحر أحد أقدم تطبيقات الطاقة الشمسية. وتشمل الاستخدامات الحديثة حلول المحاليل الملحية المركزة المستخدمة في تعدين الغسالات وإزالة المواد الصلبة الذائبة من تيارات النفايات. خطوط الملابس ، والملابس ، والملابس رفوف الملابس الجافة من خلال التبخر من الرياح وضوء الشمس دون استهلاك الكهرباء أو الغاز. في بعض الولايات الأمريكية يحمي التشريع ملابس “الحق في التجفيف”.
معالجة المياه
يمكن استخدام التقطير الشمسي لجعل المياه المالحة أو المياه المالحة صالحة للشرب. أول مثال مسجل لهذا كان من قبل الخيميائيين العرب في القرن السادس عشر. تم إنشاء مشروع تقطير شمسي واسع النطاق لأول مرة في عام 1872 في مدينة لاس ساليناس التي تعدين في تشيلي. يمكن للمصنع ، الذي كان يحتوي على مساحة لجمع الطاقة الشمسية تبلغ 4700 متر مربع (51000 قدم مربع) ، إنتاج ما يصل إلى 22700 لتر (5000 جالون سوداني ، 6000 جالون أمريكي في اليوم) ويعمل لمدة 40 عامًا. وتشمل التصاميم الفردية الفردية المنحدر المنحدر ، أو المنحدر المزدوج (أو نوع الصوبة الزجاجية) ، والعازل ، والمخروطي المقلوب ، والفتيل المتعدد ، والتأثير المتعدد. يمكن أن تعمل هذه اللقطات في أوضاع سلبية أو نشطة أو مختلطة. تعتبر اللقطات ثنائية الانحدار هي الأكثر اقتصادا للأغراض المحلية اللامركزية ، في حين أن الوحدات الفعالة متعددة التأثير أكثر ملاءمة للتطبيقات واسعة النطاق.
تطهير المياه بالطاقة الشمسية (SODIS) ينطوي على تعريض الزجاجات البلاستيكية البولي اثيلين تريفثالات (PET) مملوءة بالماء لأشعة الشمس لعدة ساعات. تختلف أوقات التعرض وفقًا للطقس والمناخ من 6 ساعات إلى يومين كحد أدنى خلال الظروف الملبدة بالغيوم تمامًا. توصي به منظمة الصحة العالمية كطريقة فعالة لمعالجة المياه المنزلية والتخزين الآمن. أكثر من مليوني شخص في البلدان النامية يستخدمون هذه الطريقة لمياه الشرب اليومية.
يمكن استخدام الطاقة الشمسية في بركة تثبيت المياه لمعالجة مياه الصرف الصحي بدون مواد كيميائية أو كهرباء. وهناك ميزة بيئية أخرى تتمثل في أن الطحالب تنمو في هذه البرك وتستهلك ثاني أكسيد الكربون في عملية التمثيل الضوئي ، على الرغم من أن الطحالب قد تنتج مواد كيميائية سامة تجعل المياه غير صالحة للاستعمال.
تكنولوجيا الملح المصهور
يمكن استخدام الملح المصهور كطريقة لتخزين الطاقة الحرارية للحفاظ على الطاقة الحرارية التي يتم جمعها من خلال برج شمسي أو حوض شمسي لمحطة طاقة شمسية مركزة ، بحيث يمكن استخدامها لتوليد الكهرباء في الأحوال الجوية السيئة أو في الليل. وقد ظهر ذلك في مشروع Solar Two من 1995-1999. من المتوقع أن يكون لدى النظام كفاءة سنوية تبلغ 99٪ ، في إشارة إلى الطاقة المحتفظ بها من خلال تخزين الحرارة قبل تحويلها إلى كهرباء ، مقابل تحويل الحرارة مباشرة إلى كهرباء. مخاليط الملح المصهور تختلف. يحتوي الخليط الأوسع نطاقا على نترات الصوديوم ونترات البوتاسيوم ونترات الكالسيوم. وهو غير قابل للاشتعال وغير سام ، وقد استخدم بالفعل في الصناعات الكيميائية والمعدنية كسائل لنقل الحرارة ، لذلك توجد تجربة مع هذه الأنظمة في التطبيقات غير الشمسية.
الملح يذوب على 131 درجة مئوية (268 درجة فهرنهايت). يتم الاحتفاظ بها سائلة عند 288 درجة مئوية (550 درجة فهرنهايت) في خزان تخزين “بارد” معزول. يتم ضخ الملح السائل من خلال الألواح في المجمع الشمسي حيث تسخن الشمس المركزة إلى 566 درجة مئوية (1،51 درجة فهرنهايت). ثم يتم إرسالها إلى خزان التخزين الساخن. هذا معزول بشكل جيد بحيث يمكن تخزين الطاقة الحرارية بشكل مفيد لمدة تصل إلى أسبوع.
عند الحاجة إلى الكهرباء ، يتم ضخ الملح الساخن إلى مولد بخاري تقليدي لإنتاج بخار مسخن للتوربين / المولد المستخدم في أي محطة تقليدية للفحم أو النفط أو الطاقة النووية. يحتاج التوربينة بقوة 100 ميجاوات إلى خزان يبلغ قطره حوالي 9.1 متر (30 قدمًا) وقطره 24 مترًا (79 قدمًا) لقيادته لمدة أربع ساعات وفقًا لهذا التصميم.
العديد من محطات توليد الطاقة بالقطر المكافئ في إسبانيا ومطور برج الطاقة الشمسية SolarReserve يستخدمون مفهوم تخزين الطاقة الحرارية هذا. محطة توليد سولانا في الولايات المتحدة لديها ست ساعات من التخزين بواسطة الملح المصهور. مصنع ماريا إيلينا هو مجمع حراري شمسي بقدرة 400 ميجاوات في منطقة أنتوفاغاستا الشمالية الشيلية التي تستخدم تكنولوجيا الملح المصهور.
إنتاج الكهرباء
الطاقة الشمسية هي تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء ، إما مباشرة باستخدام الخلايا الكهروضوئية (PV) ، أو بطريقة غير مباشرة باستخدام الطاقة الشمسية المركزة (CSP). تستخدم أنظمة CSP العدسات أو المرايا وأنظمة التعقب لتركيز مساحة كبيرة من ضوء الشمس إلى حزمة صغيرة. PV يحول الضوء إلى تيار كهربائي باستخدام التأثير الكهروضوئي.
من المتوقع أن تصبح الطاقة الشمسية أكبر مصدر للكهرباء في العالم بحلول عام 2050 ، حيث ساهمت الطاقة الشمسية الفولتية الضوئية والطاقة الشمسية المركزة بنسبة 16 و 11 في المائة في الاستهلاك العالمي الإجمالي ، على التوالي. في عام 2016 ، بعد عام آخر من النمو السريع ، أنتجت الطاقة الشمسية 1.3 ٪ من الطاقة العالمية.
تم تطوير محطات الطاقة الشمسية المركزة التجارية لأول مرة في الثمانينات. يعتبر مرفق الطاقة الشمسية Ivanpah 392 MW ، في صحراء Mojave في ولاية كاليفورنيا ، هو أكبر محطة للطاقة الشمسية في العالم. وتشمل محطات الطاقة الشمسية الكبيرة المركزة محطة توليد الطاقة الشمسية Solnova التي تبلغ قدرتها 150 ميجاوات ومحطة الطاقة الشمسية Andasol التي تبلغ قدرتها 100 ميجاوات ، وكلاهما في إسبانيا. يعتبر مشروع أغوا كالينتي للطاقة الشمسية بقدرة 250 ميجاوات ، في الولايات المتحدة ، و 221 ميغاواط Charanka Solar Park في الهند ، أكبر المصانع الكهروضوئية في العالم. ويجري تطوير مشاريع الطاقة الشمسية التي تتجاوز 1 غيغاواط ، ولكن معظم الخلايا الكهروضوئية المنتشرة موجودة في صفيفات صغيرة على السطح تقل عن 5 كيلو واط ، وهي متصلة بالشبكة باستخدام القياس الصافي و / أو تعريفة التغذية.
وحدات الطاقة الشمسية
في العقدين الأخيرين ، تطورت الخلايا الكهروضوئية (PV) ، والمعروفة أيضًا باسم الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV) ، من سوق نقي صغير من التطبيقات الصغيرة النطاق لتصبح مصدرًا رئيسيًا للكهرباء. الخلية الشمسية هي جهاز يحول الضوء مباشرة إلى كهرباء باستخدام التأثير الكهروضوئي. أول خلية شمسية شيدها تشارلز فريتس في ثمانينيات القرن التاسع عشر. في عام 1931 طور المهندس الألماني ، الدكتور برونو لانج ، خلية صور باستخدام سيلينيد الفضة بدلاً من أكسيد النحاس. على الرغم من أن خلايا السيلينيوم النموذجية حولت أقل من 1٪ من الضوء الساقط إلى كهرباء ، فقد أدرك كل من إرنست فيرنر فون سيمنز وجيمس كليرك ماكسويل أهمية هذا الاكتشاف. بعد العمل الذي قام به راسل أول في أربعينيات القرن العشرين ، قام الباحثون جيرالد بيرسون وكالفن فولر وداريل تشابين بتكوين الخلية الشمسية السليكونية البلورية في عام 1954. وتكلفت هذه الخلايا الشمسية المبكرة 286 دولارًا أمريكيًا / واط وبلغت كفايتها 4.5-6٪. بحلول عام 2012 تجاوزت الكفاءات المتاحة 20 ٪ ، وكانت الكفاءة القصوى من الخلايا الكهروضوئية البحثية تتجاوز 40 ٪.
الطاقة الشمسية المركزة
تستخدم أنظمة الطاقة الشمسية المركزة (CSP) العدسات أو المرايا وأنظمة التتبع لتركيز مساحة كبيرة من ضوء الشمس إلى حزمة صغيرة. ثم يتم استخدام الحرارة المركزة كمصدر حرارة لمحطة الطاقة التقليدية. توجد مجموعة واسعة من تكنولوجيات التركيز ؛ أكثرها تطورا هو حوض مكافئ ، عاكس فريسنل خطي التركيز ، طبق ستيرلنغ وبرج الطاقة الشمسية. تستخدم تقنيات مختلفة لتعقب الشمس وتركيز الضوء. في كل هذه الأنظمة يتم تسخين مائع يعمل بواسطة ضوء الشمس المركز ، ثم يتم استخدامه لتوليد الطاقة أو تخزين الطاقة.
العمارة والتخطيط الحضري
لقد أثر ضوء الشمس على تصميم المبنى منذ بداية التاريخ المعماري. تم استخدام أساليب العمارة الشمسية المتقدمة والتخطيط الحضري لأول مرة من قبل اليونانيين والصينيين ، الذين وجهوا مبانيهم نحو الجنوب لتوفير الضوء والدفء.
إن السمات العامة للعمارة الشمسية السلبية هي التوجه النسبي للشمس ، والنسبة المدمجة (نسبة مساحة السطح إلى نسبة الحجم) ، والتظليل الانتقائي (المتدلي) والكتلة الحرارية. عندما يتم تصميم هذه الميزات وفقًا للمناخ المحلي والبيئة ، يمكن أن تنتج مساحات مضاءة جيدًا وتبقى في نطاق درجات حرارة مريح. بيت Megaron House في سقراط هو مثال كلاسيكي للتصميم الشمسي السلبي. تستخدم أحدث الأساليب لتصميم الطاقة الشمسية النمذجة الحاسوبية التي تربط بين أنظمة الإضاءة والتدفئة والتهوية الشمسية في حزمة تصميم الطاقة الشمسية المتكاملة. يمكن لمعدات الطاقة الشمسية النشطة مثل المضخات والمراوح والنوافذ القابلة للتحويل أن تكمل التصميم السلبي وتحسين أداء النظام.
الجزر الحرارية الحضرية (UHI) هي مناطق حضرية ذات درجات حرارة أعلى من البيئة المحيطة. وتنتج درجات الحرارة المرتفعة عن زيادة امتصاص الطاقة الشمسية من خلال المواد الحضرية مثل الأسفلت والخرسانة ، التي تحتوي على ألبيدات منخفضة وسعات حرارة أعلى من تلك الموجودة في البيئة الطبيعية. ومن الطرق المباشرة لمقاومة تأثير UHI هو طلاء المباني والطرق البيضاء وزراعة الأشجار في المنطقة. باستخدام هذه الطرق ، توقع برنامج “المجتمعات الباردة” الافتراضي في لوس أنجلوس أن درجات الحرارة في المدن يمكن أن تنخفض بمقدار 3 درجات مئوية تقريبًا بتكلفة تقديرية تبلغ مليار دولار أمريكي ، مما يوفر إجمالي الفوائد السنوية المقدرة بـ 530 مليون دولار أمريكي من تقليل التكييف التكاليف وتوفير الرعاية الصحية.
الزراعة والبستنة
تسعى الزراعة والبستنة لتحسين التقاط الطاقة الشمسية من أجل تحسين إنتاجية النباتات. يمكن أن تعمل تقنيات مثل دورات الزراعة الموقوتة ، وتوجيه الصف المعتمد ، والارتفاعات المتداخلة بين الصفوف وخلط الأصناف النباتية على تحسين غلة المحاصيل. بينما يعتبر ضوء الشمس بشكل عام موردًا وفيرًا ، تبرز الاستثناءات أهمية الطاقة الشمسية في الزراعة. خلال مواسم النمو القصيرة في العصر الجليدي الصغير ، استخدم المزارعون الفرنسيون والإنجليز حبيبات الفاكهة لتحقيق أقصى قدر من جمع الطاقة الشمسية. هذه الجدران تعمل ككتل حرارية ونضج متسارعة من خلال الحفاظ على النباتات الدافئة. بنيت جدران الفاكهة المبكرة بشكل متعامد على الأرض وتواجه الجنوب ، ولكن مع مرور الوقت ، تم تطوير الجدران المنحدرة من أجل الاستخدام الأفضل لأشعة الشمس. في عام 1699 ، اقترح نيكولاس فاتيو دي دويلير استخدام آلية تتبع يمكن أن تدور حول الشمس. وتشمل تطبيقات الطاقة الشمسية في الزراعة بغض النظر عن زراعة المحاصيل ، ضخ المياه وتجفيف المحاصيل ، وتفريخ الدجاج وتجفيف السماد العضوي. وفي الآونة الأخيرة تم تبني هذه التقنية من قبل الخماس الذين يستخدمون الطاقة المولدة من الألواح الشمسية لتشغيل مكابس العنب.
تقوم البيوت البلاستيكية بتحويل الضوء الشمسي إلى حرارة ، مما يسمح بالإنتاج على مدار العام والنمو (في البيئات المغلقة) للمحاصيل المتخصصة والنباتات الأخرى التي لا تتناسب بشكل طبيعي مع المناخ المحلي. استخدمت الصوبات الزجاجية البدائية لأول مرة في العصر الروماني لإنتاج الخيار على مدار السنة للإمبراطور الروماني تيبيريوس. تم بناء أول صوب زجاجي حديث في أوروبا في القرن السادس عشر لإبقاء النباتات الغريبة التي أعيدت من الاستكشافات في الخارج. تظل الدفيئات الزراعية جزءًا مهمًا من البستنة اليوم ، كما استخدمت المواد الشفافة من البلاستيك لتأثير مماثل في الأغطية البلاستيكية وأغطية الصفوف.
المواصلات
لقد كان تطوير سيارة تعمل بالطاقة الشمسية هدفاً هندسياً منذ ثمانينات القرن العشرين. التحدي العالمي للطاقة الشمسية هو سباق سيارات يعمل بالطاقة الشمسية كل سنتين ، حيث تتنافس فرق من الجامعات والمؤسسات على مدى 3021 كيلومتر (1877 ميل) عبر وسط أستراليا من داروين إلى أديلايد. في عام 1987 ، عندما تم تأسيسه ، كان متوسط سرعة الفائز 67 كيلو متر في الساعة (42 ميلا في الساعة) وبحلول عام 2007 تحسن متوسط سرعة الفائز إلى 90.87 كيلومتر في الساعة (56.46 ميل في الساعة). يعتبر تحدي الطاقة الشمسية لأمريكا الشمالية والتحدي الشمسي المزمع في جنوب أفريقيا من المنافسات المماثلة التي تعكس اهتمامًا دوليًا بالهندسة وتطوير المركبات التي تعمل بالطاقة الشمسية.
تستخدم بعض المركبات الألواح الشمسية للحصول على طاقة مساعدة ، مثل تكييف الهواء ، للحفاظ على برودة السيارة الداخلية ، وبالتالي تقليل استهلاك الوقود.
إنتاج الوقود
تستخدم العمليات الكيميائية الشمسية الطاقة الشمسية لدفع التفاعلات الكيميائية. تعوض هذه العمليات الطاقة التي يمكن أن تأتي من مصدر الوقود الأحفوري ، ويمكن أيضًا تحويل الطاقة الشمسية إلى وقود قابل للتخزين والنقل. يمكن تقسيم التفاعلات الكيميائية الناتجة عن الطاقة الشمسية إلى كيميائي حراري أو ضوئي كيميائي. يمكن إنتاج مجموعة متنوعة من أنواع الوقود عن طريق التمثيل الضوئي الاصطناعي. تعتبر الكيمياء التحفيزية متعددة الإلكترونات المشاركة في صنع أنواع الوقود المعتمدة على الكربون (مثل الميثانول) من تقليل ثاني أكسيد الكربون تحديًا ؛ البديل البديل هو إنتاج الهيدروجين من البروتونات ، على الرغم من أن استخدام المياه كمصدر للإلكترونات (كما تفعل النباتات) يتطلب إتقان أكسدة متعددة الأقطاب لجزيئين ماء إلى أكسجين جزيئي. وقد توخى البعض أن مصانع الوقود الشمسي العاملة في المناطق الحضرية الساحلية بحلول عام 2050 – هو تقسيم مياه البحر التي توفر الهيدروجين ليتم تشغيلها من خلال محطات الطاقة الكهربائية المتاخمة لخلايا الوقود والمياه الثانوية النقية التي تذهب مباشرة إلى شبكة المياه البلدية. تتضمن رؤية أخرى جميع الهياكل البشرية التي تغطي سطح الأرض (أي الطرق والمركبات والمباني) القيام بعملية التمثيل الضوئي بشكل أكثر كفاءة من النباتات.
لقد كانت تقنيات إنتاج الهيدروجين مجالًا هامًا من أبحاث الكيمياء الشمسية منذ السبعينيات. بالإضافة إلى التحليل الكهربائي المدفوع بالخلايا الضوئية أو الضوئية الكيميائية ، تم استكشاف العديد من العمليات الحرارية. يستخدم أحد هذه الطرق المكثفات لتقسيم المياه إلى أكسجين وهيدروجين عند درجات حرارة عالية (2،300 – 2،600 درجة مئوية أو 4،200-4،700 درجة فهرنهايت). نهج آخر يستخدم الحرارة من المكثفات الشمسية لدفع إعادة تشكيل البخار من الغاز الطبيعي وبالتالي زيادة غلة الهيدروجين الإجمالية مقارنة مع أساليب الإصلاح التقليدية. تمثل الدورات الحرارية الكيميائية التي تتميز بتحلل المواد المتفاعلة وتجديدها وسيلة أخرى لإنتاج الهيدروجين. تستخدم عملية سولزينك قيد التطوير في معهد وايزمان للعلوم فرنًا شمسيًا بقدرة 1 ميجاوات لتحليل أكسيد الزنك (ZnO) عند درجات حرارة أعلى من 1200 درجة مئوية (2،200 درجة فهرنهايت). ينتج هذا التفاعل الأولي زنكًا نقيًا ، والذي يمكن أن يتفاعل لاحقًا مع الماء لإنتاج الهيدروجين.
طرق تخزين الطاقة
يمكن لأنظمة الكتلة الحرارية تخزين الطاقة الشمسية على شكل حرارة عند درجات حرارة مفيدة محليًا لمدد يومية أو بينية. تستخدم أنظمة التخزين الحراري عادةً المواد المتاحة بسهولة ذات السعات الحرارية العالية مثل الماء والأرض والحجر. يمكن للأنظمة مصممة تصميما جيدا خفض الطلب الذروة ، وزمن التحول إلى ساعات خارج أوقات الذروة والحد من متطلبات التدفئة والتبريد الشاملة.
تعتبر مواد تغيير الطور مثل شمع البارافين وملح جلوبر وسيلة تخزين حرارية أخرى. هذه المواد غير مكلفة ومتوفرة بسهولة ويمكنها توفير درجات حرارة مفيدة محليًا (حوالي 64 درجة مئوية أو 147 درجة فهرنهايت). كان “دوفر هاوس” (في دوفر ، ماساتشوستس) أول من استخدم نظام التدفئة بالملح في جلوبر ، في عام 1948. ويمكن أيضًا تخزين الطاقة الشمسية في درجات حرارة عالية باستخدام الأملاح المصهورة. تعتبر الأملاح وسيلة تخزين فعالة لأنها منخفضة التكلفة ، ولديها سعة حرارية عالية ويمكنها توصيل الحرارة عند درجات حرارة متوافقة مع أنظمة الطاقة التقليدية. واستخدم مشروع “سولار تو” هذا الأسلوب لتخزين الطاقة ، مما سمح له بتخزين 1.44 تيراغول (400 ألف كيلووات في الساعة) في خزان تخزينه البالغ 68 متر مكعب ، مع كفاءة تخزين سنوية تبلغ حوالي 99٪.
تستخدم الأنظمة الكهروضوئية خارج الشبكة تقليديا بطاريات قابلة للشحن لتخزين الطاقة الزائدة. مع أنظمة مرتبطة بالشبكة ، يمكن إرسال الكهرباء الزائدة إلى شبكة النقل ، في حين يمكن استخدام الكهرباء القياسية للشبكة لمواجهة النواقص. تمنح برامج قياس الشبكة الأنظمة المنزلية رصيدًا لأي كهرباء توفرها للشبكة. يتم التعامل مع هذا عن طريق “إعادة” العداد كلما كان المنزل ينتج المزيد من الكهرباء أكثر مما يستهلك. إذا كان صافي استخدام الشبكة أقل من الصفر ، فستقوم الأداة بعد ذلك بتدوير رصيد ساعة الكيلو واط إلى الشهر التالي. تتضمن الطرق الأخرى استخدام مترين لقياس استهلاك الكهرباء مقابل الكهرباء المنتجة. هذا أقل شيوعًا بسبب زيادة تكلفة التركيب للمتر الثاني. معظم العدادات القياسية تقيس بدقة في كلا الاتجاهين ، مما يجعل المتر الثاني غير ضروري.
تخزن الطاقة الكهرومائية التي يتم ضخها بالطاقة الطاقة على شكل مياه يتم ضخها عندما تكون الطاقة متاحة من خزان منخفض الارتفاع إلى مستوى مرتفع أعلى. يتم استعادة الطاقة عند ارتفاع الطلب عن طريق إطلاق المياه ، مع أن تصبح المضخة مولدًا للطاقة الكهرومائية.
التطوير والنشر والاقتصاد
وبدءًا من الطفرة في استخدام الفحم التي رافقت الثورة الصناعية ، انتقل استهلاك الطاقة بثبات من الخشب والكتلة الحيوية إلى الوقود الأحفوري. كان التطور المبكر لتكنولوجيا الطاقة الشمسية التي بدأت في ستينيات القرن التاسع عشر مدفوعًا بتوقع أن الفحم سيصبح نادرًا قريبًا. ومع ذلك ، فإن تطوير تكنولوجيات الطاقة الشمسية كان راكدا في أوائل القرن العشرين في مواجهة توافر وفرة واقتصاد وفحم البترول.
تسبب الحظر النفطي لعام 1973 وأزمة الطاقة لعام 1979 في إعادة تنظيم سياسات الطاقة في جميع أنحاء العالم وجدد الاهتمام بتطوير تقنيات الطاقة الشمسية. ركزت استراتيجيات النشر على برامج الحوافز مثل البرنامج الفيدرالي لاستخدام الطاقة الشمسية في الولايات المتحدة وبرنامج Sunshine في اليابان. وشملت الجهود الأخرى تشكيل مرافق البحوث في الولايات المتحدة (SERI ، والآن NREL) ، واليابان (NEDO) ، وألمانيا (معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية ISE).
بدأت سخانات المياه الشمسية التجارية في الظهور في الولايات المتحدة في تسعينيات القرن التاسع عشر. شهدت هذه الأنظمة زيادة في الاستخدام حتى العشرينيات من القرن العشرين ، ولكن تم استبدالها بشكل تدريجي بوقود تسخين أرخص وأكثر موثوقية. كما هو الحال مع الخلايا الكهروضوئية ، جذب تسخين المياه بالطاقة الشمسية انتباهاً متجدداً نتيجة لأزمات النفط في السبعينات ، لكن الاهتمام تراجع في الثمانينيات بسبب هبوط أسعار البترول. تقدمت التنمية في قطاع تسخين المياه بالطاقة الشمسية بشكل مطرد طوال التسعينيات ، وبلغ متوسط معدلات النمو السنوي 20٪ منذ عام 1999. وعلى الرغم من التقليل من التقديرات بشكل عام ، فإن تسخين المياه بالطاقة الشمسية والتبريد يعتبران إلى حد بعيد أكثر تقنيات الطاقة الشمسية انتشارًا على نطاق واسع حيث تبلغ القدرة التقديرية 154 جيجاواط. 2007.
قالت وكالة الطاقة الدولية إن الطاقة الشمسية يمكن أن تقدم مساهمات كبيرة في حل بعض المشاكل الأكثر إلحاحا التي يواجهها العالم الآن:
إن تطوير تكنولوجيات الطاقة الشمسية التي لا يمكن إنكارها والتي لا ينضب ونظيفة سيكون لها فوائد ضخمة على المدى الطويل. وسيزيد من أمن الطاقة في البلدان من خلال الاعتماد على مورد أصلي لا ينضب ومعظمه مستقل عن الاستيراد ، ويعزز الاستدامة ، ويقلل التلوث ، ويخفض تكاليف التخفيف من تغير المناخ ، ويحافظ على أسعار الوقود الأحفوري أقل من غير ذلك. هذه المزايا عالمية. ومن ثم ينبغي اعتبار التكاليف الإضافية لحوافز الانتشار المبكر بمثابة استثمارات تعليمية ؛ يجب أن يتم إنفاقها بحكمة ويجب أن يتم تقاسمها على نطاق واسع.
في عام 2011 ، وجد تقرير صادر عن وكالة الطاقة الدولية أن تقنيات الطاقة الشمسية مثل الخلايا الكهروضوئية ، والماء الساخن بالطاقة الشمسية والطاقة الشمسية المركزة يمكن أن توفر ثلث طاقة العالم بحلول عام 2060 إذا تعهد السياسيون بالحد من تغير المناخ. يمكن للطاقة من الشمس أن تلعب دورا رئيسيا في إزالة الكربون عن الاقتصاد العالمي جنبا إلى جنب مع التحسينات في كفاءة الطاقة وفرض التكاليف على بواعث الغازات المسببة للاحتباس الحراري.