الطاقة الشمسية
الطاقة الموجودة في ضوء الشمس هي مصدر الحياة على الأرض. يمكن للبشر التقاطها واستخدام قوتها في أنشطتها دون إنتاج ملوثات خطرة. هناك العديد من الطرق لتحويلها إلى أشكال طاقة أكثر سهولة في الاستخدام ، مثل الحرارة أو الكهرباء. التقنيات التي نستخدمها للقيام بذلك لها تأثير حميد نسبيًا على البيئة. ومع ذلك ، لكل منها عيوب أعاقت تبنيها على نطاق واسع.
في كندا ، يتزايد إنتاج الكهرباء والحرارة من الطاقة الشمسية بسرعة ويساعد على تقليل التلوث المرتبط بقطاع الطاقة. على الرغم من المناخ البارد في كندا وخطوط العرض العالية (التي تتلقى ضوءًا شمسًا مباشرًا أقل من خطوط العرض الوسطى) ، يتم استغلال تقنيات الطاقة الشمسية في العديد من الأماكن ، من أسطح المنازل إلى محطات الطاقة الكبيرة. يتوقع منظم الطاقة الكندي (المجلس الوطني للطاقة سابقًا) أن تمثل الطاقة الشمسية 3٪ من إجمالي قدرة توليد الطاقة في كندا بحلول عام 2040.
ما هي الطاقة الشمسية؟
تنتج الشمس الطاقة الشمسية وتُشع في الفضاء ، بشكل أساسي على شكل ضوء الأشعة تحت الحمراء المرئي والقريب. يغذي عمليا كل أشكال الحياة الموجودة على الأرض. عندما يصطدم ضوء الشمس بسطح على كوكبنا ، فإنه ينتج طاقة حرارية ، أو حرارة ، مسؤولة عن العديد من الظواهر الكوكبية ، بما في ذلك دورة المياه وأنماط الرياح وتيارات المحيط. تحدث عملية التمثيل الضوئي ، وهي العملية التي تنتج بها النباتات طعامها ، عن طريق تحويل ضوء الشمس إلى طاقة كيميائية.
كيف يتم التقاط الطاقة الشمسية وتخزينها؟
لقد ألهم تحويل ضوء الشمس إلى أشكال أخرى من الطاقة البشر لتسخير هذه الطاقة وتسخيرها. تنقسم طرق تسخير الطاقة الشمسية إلى فئتين رئيسيتين: سلبية ونشطة. الطرق السلبية هي تلك التي تستخدم ضوء الشمس المباشر (على سبيل المثال ، لإضاءة وتدفئة الغرفة من خلال النافذة). تستخدم الأساليب الفعالة التكنولوجيا لتحويل الطاقة الشمسية إلى شكل ثانوي (على سبيل المثال ، سائل أو تيار كهربائي) له استخدامه الخاص.
1- الطاقة الشمسية السلبية
لقد استخدم البشر الإشعاع الشمسي بشكل سلبي لآلاف السنين لإنجاز مهام تتطلب طاقة مكثفة دون بذل الكثير من الجهد. تشمل أقدم الأمثلة على تجفيف الفواكه والخضروات بالشمس أو تبخير الماء لصنع ملح صالح للأكل يحفظ اللحوم.
نظرًا لأن المجتمعات البشرية أصبحت أكثر تعقيدًا ، فقد طورت تقنيات سلبية جديدة ، كان أحد تطبيقاتها الرئيسية هو التحكم في الإضاءة والتدفئة في المباني. مثال بسيط للغاية هو النافذة الزجاجية ، التي تسمح لأشعة الشمس بالمرور عبر الحائط وتوفر الضوء والحرارة دون حرق الوقود.
يتمثل أحد المبادئ الرئيسية للتصميم المستدام اليوم في توجيه المباني بحيث يمكنها الحصول على أكبر قدر ممكن من ضوء النهار من النوافذ ، مما يقلل من الحاجة إلى الإضاءة الكهربائية. يتم توفير الطاقة أيضًا من خلال مراعاة التغيرات الموسمية في زاوية سطوع الشمس. في فصل الشتاء ، يمكن للأسطح الداخلية أن تمتص الطاقة الحرارية من الشمس وتطلقها كحرارة في المساء. على العكس من ذلك ، فإن تقليل هذه العوامل نفسها في الصيف يوفر تكييف الهواء.
2- طاقة شمسية نشطة
حراري
تستخدم الأنظمة الحرارية النشطة الطاقة الشمسية بشكل غير مباشر. يلتقطون الإشعاع الشمسي لتسخين مادة مثل الماء أو الهواء ، والتي يمكنها بعد ذلك تسخين الفضاء أو تشغيل التوربينات أو استخدامها في استخدامات أخرى.
توجد عادة مجمعات الطاقة الشمسية ذات التصميم البسيط للغاية في كندا. يتم وضع الأنابيب المملوءة بسائل نقل الحرارة ، مثل الماء ، على سطح. تقوم الشمس بتسخين هذا السائل ، ثم يتم ضخه في صهريج تخزين. ثم يتم استخدامه مباشرة أو لأي عملية تتطلب حرارة. تشتهر أجهزة الاستشعار هذه بتسخين المياه أو الهواء المحيط في منازلنا.
يمكن للإصدارات الأكثر تطوراً من هذه الأنظمة تركيز طاقة شمسية كافية لتشغيل بلدة صغيرة. باستخدام مئات المرايا أو محطات توليد الطاقة أو مجمعات الطاقة الشمسية ، تعمل أشعة الشمس على تحويل ضوء الشمس إلى خزان كبير مملوء بسائل نقل الحرارة. تولد هذه المرافق الكبيرة الكهرباء عن طريق غليان الماء ، تمامًا مثل محطات الطاقة التقليدية. الفرق الوحيد هو أنه بدلاً من حرق الوقود الأحفوري ، يستخدمون الطاقة الشمسية لإنتاج البخار الذي يدير التوربينات. غالبًا ما تكون مبنية في الصحاري لأنها تحتاج إلى الكثير من الشمس مع القليل من السحب.
أحد أكثر الأجهزة كفاءة في جمع الطاقة الشمسية هو مجمع الألواح المثقوبة الذي اخترعه الكندي جون سي هولليك. إنها ببساطة قطعة من المعدن مثقوبة بآلاف الثقوب الصغيرة ومضغوطة على مبنى. تحت تأثير الشمس ، يسخن المعدن ويسخن الهواء المحيط ، والذي يمكن استخدامه بعد ذلك لتسخين الداخل. يمكن لأنظمة مثل هذه تحويل ما يصل إلى 80٪ من الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية قابلة للاستخدام.
الكهروضوئية
تعد الخلية الكهروضوئية واحدة من أكثر الأدوات تقدمًا لتسخير الطاقة الشمسية. عنصرها الرئيسي هو رقاقة رقيقة من أشباه الموصلات ، وهي مادة تعمل على الإلكترونات. تم لصق اثنتين من هذه الفوط الصحية معًا داخل الزنزانة. واحد منهم موجب الشحنة ، لذلك لديه إلكترون إضافي يمكن إطلاقه أو طرده من أشباه الموصلات. عندما تثير الطاقة الشمسية هذا الإلكترون وتطلقه ، فإنها تترك مكانًا يندفع إليه إلكترون في الرقاقة الثانية ليحتلها. حركة الإلكترونات في الفراغ بين الرقائق تخلق تيارًا كهربائيًا صغيرًا. يمكن للتيار المباشر من الخلايا الكهروضوئية تشغيل أشياء لا نهاية لها ، من مصابيح الإضاءة المنزلية إلى آلات المصنع. ومع ذلك ، نظرًا لأن معظم المنازل والشركات تعمل بالتيار المتردد ، فأنت بحاجة إلى تحويل التيار المباشر باستخدام جهاز كهربائي يسمى المحول.
مادة أشباه الموصلات الأكثر شيوعًا في الخلايا الكهروضوئية هي السيليكون (انظر السيليكا). يمكن تجميع خلايا السيليكون ، الصغيرة عادةً ، في ألواح بأحجام مختلفة لتلبية معظم احتياجات الطاقة. يمكن طباعة أشباه الموصلات الأخرى على غشاء رقيق لصنع الخلايا الكهروضوئية بأي حجم تقريبًا.
هل تعلم؟
تم تصميم التكنولوجيا الكهروضوئية في الخمسينيات من القرن الماضي للسماح للأقمار الصناعية بتسخير الطاقة الشمسية للتحرك في الفضاء.
فوائد الطاقة الشمسية
الفائدة الأساسية للطاقة الشمسية هي أنها تساعد في تقليل التلوث الناتج عن إنتاج الكهرباء. الطاقة الشمسية هي مورد مجاني. تصل إلى مكان الإنتاج دون أي تدخل بشري. إنتاج الكهرباء من الأجهزة الشمسية خالٍ من الانبعاثات الضارة. من ناحية أخرى ، يؤدي حرق الوقود لتوليد الكهرباء إلى إطلاق ملوثات مثل الجسيمات وثاني أكسيد الكبريت (SO2) وثاني أكسيد الكربون (CO2) والنفايات الخطرة. (انظر أيضا: النفط ، الفحم ، الغاز الطبيعي.)
مساوئ الطاقة الشمسية
بالمقارنة مع الوقود الأحفوري ، فإن الإشعاع الشمسي كمصدر للطاقة له عدة عيوب ، أولهما هو انخفاض كثافة الطاقة والتقطع.
كثافة الطاقة هي مقدار الطاقة الكامنة الموجودة في كمية معينة من الوقود. لا توجد تقنية يمكنها تحويل الطاقة الأولية بالكامل من الوقود إلى طاقة قابلة للاستخدام. يحتوي الوقود الأحفوري على كثافة طاقة عالية جدًا. إنها تنتج الكثير من الطاقة القابلة للاستخدام ، حتى لو كان التحول غير فعال. الطاقة الشمسية لها كثافة طاقة منخفضة نسبيًا ، مما يقلل التحول أكثر. أقل تقنيات تحويل الطاقة الشمسية كفاءة هي تلك التي تولد الكهرباء. الأكثر كفاءة هي تلك التي تحولها إلى طاقة حرارية.
الشمس ليست ثابتة. وهي تختلف على مدار اليوم بسبب السحب وتغيب في الليل. كلمة أخرى لوصف طبيعتها المتغيرة هي التقطع. في كندا ، يختلف أيضًا في عدد الساعات وشدتها حسب الموسم. نظرًا لأن ضوء الشمس متقطع ، فلا يمكن استخلاص طاقته بشكل ثابت ومتوقع كما هو الحال من مصادر أخرى.
في حين أن الطاقة الشمسية نفسها نظيفة ، فإن بعض المواد وعمليات التصنيع تلوث البيئة. يمكن أن تؤثر سلبًا على صحة الإنسان والبيئة عند نقطة التصنيع وفي نهاية عمرها الإنتاجي (أي عندما تتعطل المواد). يتطلب التصنيع أيضًا كميات كبيرة من الطاقة ، والعديد من الأجهزة الشمسية واسعة النطاق لها تأثيرات بيئية مثل اضطراب الموائل.
الطاقة الشمسية في كندا
في مجال الطاقة الشمسية ، تتمتع كندا بإمكانية الوصول إلى موارد هائلة. بالإضافة إلى ذلك ، أصبحت التكنولوجيا ميسورة التكلفة ومتاحة بشكل أكبر. تتكاثر الأنظمة وتبنت الحكومات سياسات لتشجيع تركيبها. يعد تعزيز الطاقة الشمسية والطاقات الأخرى المتجددة إحدى الطرق لتقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري ، كما التزمت كندا في اتفاقيات تغير المناخ.
في كندا ، تكمن أكبر إمكانية لتوليد الطاقة الشمسية في البراري ، لأن الغطاء السحابي هناك أقل منه في المناطق الساحلية والوسطى. على الرغم من انتشار التقنيات التي تم تنفيذها في السنوات الأخيرة ، لا تزال الطاقة الشمسية تظهر سجلاً ضعيفًا للغاية: في عام 2017 ، مثلت المجمعات الشمسية ما يزيد قليلاً عن 1 ٪ من إجمالي الطاقة الإنتاجية للكهرباء في كندا.