في السنوات الأخيرة ، اهتم العلماء بشكل خاص بمصادر الطاقة البديلة. سينفد النفط والغاز عاجلاً أم آجلاً ، لذلك علينا التفكير في كيفية البقاء على قيد الحياة في هذا الوضع الآن. تُستخدم طواحين الهواء بنشاط في أوروبا ، يحاول شخص ما استخراج الطاقة من المحيط ، وسنتحدث عن الطاقة الشمسية. بعد كل شيء ، يمكن للنجم الذي نراه كل يوم تقريبًا في السماء أن يساعدنا في توفير الموارد غير المتجددة وتحسين البيئة. من الصعب المبالغة في تقدير قيمة الشمس بالنسبة للأرض - فهي توفر الحرارة والضوء وتسمح لجميع أشكال الحياة على الكوكب بالعمل. فلماذا لا تجد استخدامًا آخر لها؟
قليلا من التاريخ
في منتصف القرن التاسع عشر ، اكتشف الفيزيائي ألكسندر إدموند بيكريل التأثير الكهروضوئي. وبحلول نهاية القرن ، ابتكر تشارلز فريتس أول جهاز قادر على تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء. لهذا الغرض ، تم استخدام السيلينيوم المطلي بطبقة رقيقة من الذهب. كان التأثير ضعيفًا ، لكن غالبًا ما ارتبط هذا الاختراع ببداية عصر الطاقة الشمسية. بعض العلماء لا يتفقون مع هذه الصيغة. يسمون مؤسس عصر الطاقة الشمسية العالم الشهير ألبرت أينشتاين. في عام 1921عام حصل على جائزة نوبل لشرح قوانين التأثير الكهروضوئي الخارجي.
يبدو أن الطاقة الشمسية هي وسيلة واعدة للتنمية. لكن هناك العديد من العقبات التي تحول دون دخولها إلى كل منزل - اقتصادية وبيئية بشكل أساسي. ما الذي يشكل تكلفة الألواح الشمسية ، وما الضرر الذي يمكن أن تلحقه بالبيئة وما هي الطرق الأخرى لتوليد الطاقة ، سنكتشف أدناه.
طرق الادخار
المهمة الأكثر إلحاحًا المرتبطة بترويض طاقة الشمس ليست فقط استلامها ، ولكن أيضًا تراكمها. وهذا هو الأصعب. حاليًا ، طور العلماء 3 طرق فقط لترويض الطاقة الشمسية بالكامل.
الأول يعتمد على استخدام مرآة مكافئ وهو يشبه إلى حد ما اللعب بالعدسة المكبرة ، وهو أمر مألوف للجميع منذ الطفولة. يمر الضوء عبر العدسة ، ويتجمع عند نقطة واحدة. إذا وضعت قطعة من الورق في هذا المكان ، فسوف تضيء ، لأن درجة حرارة أشعة الشمس المتقاطعة مرتفعة للغاية. المرآة المكافئة عبارة عن قرص مقعر يشبه وعاء ضحل. هذه المرآة ، على عكس العدسة المكبرة ، لا تنقل أشعة الشمس بل تعكسها ، وتجمعها في نقطة واحدة ، والتي يتم توجيهها عادةً إلى أنبوب أسود به ماء. يستخدم هذا اللون لأنه يمتص الضوء بشكل أفضل. يتم تسخين المياه الموجودة في الأنبوب بواسطة ضوء الشمس ويمكن استخدامها لتوليد الكهرباء أو لتدفئة المنازل الصغيرة.
مسطح مسطح
تستخدم هذه الطريقةنظام مختلف تمامًا. يبدو مستقبل الطاقة الشمسية وكأنه هيكل متعدد الطبقات. يبدو مبدأ عملها هكذا
عند مرورها عبر الزجاج ، اصطدمت الأشعة بالمعدن الغامق ، والذي ، كما تعلم ، يمتص الضوء بشكل أفضل. يتحول الإشعاع الشمسي إلى طاقة حرارية ويسخن الماء الموجود أسفل اللوح الحديدي. علاوة على ذلك ، كل شيء يحدث كما في الطريقة الأولى. يمكن استخدام الماء الساخن إما لتدفئة المكان أو لتوليد الطاقة الكهربائية. صحيح أن فعالية هذه الطريقة ليست عالية بما يكفي لاستخدامها في كل مكان.
كقاعدة عامة ، الطاقة الشمسية التي يتم الحصول عليها بهذه الطريقة هي الحرارة. لتوليد الكهرباء ، يتم استخدام الطريقة الثالثة بكثرة.
الخلايا الشمسية
الأهم من ذلك كله أننا على دراية بهذه الطريقة في الحصول على الطاقة. يتضمن استخدام بطاريات أو ألواح شمسية مختلفة ، والتي يمكن العثور عليها على أسطح العديد من المنازل الحديثة. هذه الطريقة أكثر تعقيدًا مما تم وصفه سابقًا ، لكنها واعدة أكثر. هو الذي يجعل من الممكن تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء على نطاق صناعي.
لوحات خاصة مصممة لالتقاط الأشعة مصنوعة من بلورات السيليكون المخصب. ضوء الشمس ، الذي يسقط عليها ، يزيل الإلكترون من المدار. يسعى الآخر على الفور ليحل محله ، وبالتالي يتم الحصول على سلسلة متحركة مستمرة ، مما يخلق تيارًا. إذا لزم الأمر ، يتم استخدامه على الفور لتوفير الأجهزة أو المتراكمة في النموذجالكهرباء في البطاريات الخاصة.
شعبية هذه الطريقة تبررها حقيقة أنها تتيح لك الحصول على أكثر من 120 واط من متر مربع واحد فقط من الألواح الشمسية. في الوقت نفسه ، تتميز الألواح بسمك صغير نسبيًا ، مما يسمح بوضعها في أي مكان تقريبًا.
أنواع ألواح السيليكون
هناك عدة أنواع من الخلايا الشمسية. الأول مصنوع من السيليكون أحادي البلورة. كفاءتها حوالي 15٪. هذه الألواح الشمسية هي الأغلى ثمناً
تصل كفاءة العناصر المصنوعة من السيليكون متعدد الكريستالات إلى 11٪. تكلفتها أقل ، حيث يتم الحصول على المواد الخاصة بها باستخدام تقنية مبسطة. النوع الثالث هو الأكثر اقتصادا وله حد أدنى من الكفاءة. هذه ألواح مصنوعة من السيليكون غير المتبلور ، أي غير البلوري. بالإضافة إلى الكفاءة المنخفضة ، فإن لديهم عيبًا مهمًا آخر - الهشاشة.
بعض الشركات المصنعة تستخدم كلا الجانبين من الألواح الشمسية لزيادة الكفاءة - الخلف والأمام. يتيح لك ذلك التقاط الضوء بكميات كبيرة وزيادة كمية الطاقة المستلمة بنسبة 15-20٪.
المنتجون المحليون
أصبحت الطاقة الشمسية على الأرض أكثر انتشارًا. حتى في بلدنا ، فهم مهتمون بدراسة هذه الصناعة. على الرغم من حقيقة أن تطوير الطاقة البديلة ليس نشطًا جدًا في روسيا ، فقد تم تحقيق بعض النجاح. حاليًا ، تعمل العديد من المنظمات في إنشاء لوحات للطاقة الشمسية - بشكل أساسيالمعاهد العلمية بمختلف المجالات والمصانع لانتاج الاجهزة الكهربائية
- NPF "كفارك".
- مصنع OJSC Kovrov الميكانيكي.
- معهد أبحاث عموم روسيا لكهربة الزراعة.
- هندسة المنظمات غير الحكومية.
- AO VIEN.
- OJSC "مصنع ريازان للأجهزة المعدنية والسيراميك".
- محطة برافدينسكي التجريبية لمصادر الطاقة بوزيت JSC
هذا ليس سوى جزء صغير من الشركات المشاركة بنشاط في تطوير الطاقة البديلة في روسيا.
التأثير البيئي
رفض مصادر الطاقة من الفحم والنفط مرتبط ليس فقط بحقيقة أن هذه الموارد ستنفد عاجلاً أم آجلاً. الحقيقة هي أنها تضر البيئة بشكل كبير - فهي تلوث التربة والهواء والماء ، وتساهم في تطور الأمراض لدى الناس وتقلل من المناعة. لهذا السبب يجب أن تكون مصادر الطاقة البديلة صديقة للبيئة.
السيليكون ، الذي يستخدم في صنع الخلايا الكهروضوئية ، آمن بحد ذاته لأنه مادة طبيعية. ولكن بعد تنظيفه ، تبقى النفايات. هم الذين يمكن أن يضروا بالبشر والبيئة إذا تم استخدامها بشكل غير صحيح.
بالإضافة إلى ذلك ، في منطقة مليئة بالكامل بالألواح الشمسية ، قد تتعطل الإضاءة الطبيعية. سيؤدي هذا إلى تغييرات في النظام البيئي الحالي. لكن بشكل عام ، التأثير البيئي للأجهزة المصممة لتحويل الطاقة الشمسية ضئيل.
الاقتصاد
ترتبط أكبر تكاليف إنتاج الألواح الشمسية بارتفاع تكلفة المواد الخام. كما اكتشفنا بالفعل ، يتم إنشاء لوحات خاصة باستخدام السيليكون. على الرغم من حقيقة أن هذا المعدن منتشر على نطاق واسع في الطبيعة ، إلا أن هناك مشاكل كبيرة مرتبطة باستخراجه. الحقيقة هي أن السيليكون ، الذي يشكل أكثر من ربع كتلة القشرة الأرضية ، غير مناسب لإنتاج الخلايا الشمسية. لهذه الأغراض ، تكون أنقى المواد التي تم الحصول عليها بطريقة صناعية مناسبة فقط. لسوء الحظ ، فإن الحصول على أنقى السيليكون من الرمال يمثل مشكلة كبيرة.
سعر هذا المورد مشابه لليورانيوم المستخدم في محطات الطاقة النووية. هذا هو السبب في أن تكلفة الألواح الشمسية لا تزال حاليًا عند مستوى مرتفع إلى حد ما.
التقنيات الحديثة
المحاولات الأولى لترويض الطاقة الشمسية ظهرت منذ زمن بعيد. منذ ذلك الحين ، شارك العديد من العلماء بنشاط في البحث عن أكثر المعدات كفاءة. يجب ألا تكون فعالة من حيث التكلفة فحسب ، بل يجب أن تكون مضغوطة أيضًا. يجب أن تسعى كفاءتها إلى أقصى حد.
تم اتخاذ الخطوات الأولى نحو جهاز مثالي لاستقبال وتحويل الطاقة الشمسية من خلال اختراع بطاريات السيليكون. بالطبع ، السعر مرتفع للغاية ، لكن الألواح يمكن وضعها على أسطح وجدران المنازل ، حيث لن تزعج أحداً. وكفاءة هذه البطاريات لا يمكن إنكارها
لكن أفضل طريقة لزيادة شعبية الطاقة الشمسية هي جعلها أرخص. اقترح علماء ألمان بالفعل استبدال السيليكون بألياف تركيبية يمكن دمجهاقماش أو مواد أخرى. كفاءة هذه البطارية الشمسية ليست عالية جدًا. لكن القميص الممزوج بألياف اصطناعية يمكنه على الأقل توفير الكهرباء للهاتف الذكي أو المشغل. كما يجري العمل بنشاط في مجال تكنولوجيا النانو. من المحتمل أنها ستسمح للشمس بأن تصبح المصدر الأكثر شعبية للطاقة هذا القرن. صرح متخصصو Scates AS من النرويج بالفعل أن تقنية النانو ستقلل من تكلفة الألواح الشمسية بمقدار الضعف.
طاقة شمسية للمنزل
الإسكان الذاتي هو حلم للكثيرين: لا اعتماد على التدفئة المركزية ، ولا مشاكل في دفع الفواتير ، ولا ضرر على البيئة. بالفعل ، تعمل العديد من البلدان بنشاط على بناء مساكن لا تستهلك إلا الطاقة التي يتم الحصول عليها من مصادر بديلة. ومن الأمثلة الصارخة ما يسمى بالبيت الشمسي.
أثناء عملية البناء ، سيتطلب استثمارًا أكثر من الاستثمار التقليدي. ولكن بعد عدة سنوات من التشغيل ، ستؤتي ثمار جميع التكاليف - لن تضطر إلى دفع تكاليف التدفئة والماء الساخن والكهرباء. في المنزل الشمسي ، ترتبط كل هذه الاتصالات بألواح كهروضوئية خاصة موضوعة على السطح. علاوة على ذلك ، فإن موارد الطاقة التي يتم الحصول عليها بهذه الطريقة لا يتم إنفاقها على الاحتياجات الحالية فحسب ، بل يتم تجميعها أيضًا للاستخدام في الليل وفي الطقس الغائم.
حاليًا ، يتم تنفيذ بناء مثل هذه المنازل ليس فقط في البلدان القريبة من خط الاستواء ، حيث يكون من الأسهل الحصول على الطاقة الشمسية. هم أيضا نصبوا فيكندا وفنلندا والسويد
إيجابيات وسلبيات
تطوير التقنيات التي تسمح باستخدام الطاقة الشمسية في كل مكان يمكن أن يكون أكثر نشاطًا. لكن هناك أسبابًا معينة وراء عدم اعتبار ذلك أولوية. كما قلنا أعلاه ، أثناء إنتاج الألواح ، يتم إنتاج مواد ضارة بالبيئة. بالإضافة إلى ذلك ، تحتوي المعدات النهائية على الغاليوم والزرنيخ والكادميوم والرصاص.
تثير الحاجة إلى إعادة تدوير الألواح الكهروضوئية أيضًا العديد من الأسئلة. بعد 50 عامًا من التشغيل ، ستصبح غير صالحة للاستعمال وسيتعين تدميرها بطريقة ما. هل سيسبب ضررًا جسيمًا للطبيعة؟ يجدر أيضًا مراعاة أن الطاقة الشمسية هي مورد متقلب ، وتعتمد كفاءتها على الوقت من اليوم والطقس. وهذا عيب كبير
لكن ، بالطبع ، هناك إيجابيات. يمكن استخراج الطاقة الشمسية في أي مكان على الأرض تقريبًا ، ويمكن أن تكون المعدات اللازمة لإنتاجها وتحويلها صغيرة بما يكفي لتلائم الجزء الخلفي من الهاتف الذكي. والأهم من ذلك ، أنه مورد متجدد ، أي أن كمية الطاقة الشمسية ستبقى دون تغيير لألف سنة أخرى على الأقل.
آفاق
يجب أن يؤدي تطوير التقنيات في مجال الطاقة الشمسية إلى خفض تكلفة إنشاء العناصر. تظهر الألواح الزجاجية بالفعل والتي يمكن تثبيتها على النوافذ. لقد أتاح تطوير تقنية النانو إمكانية ابتكار طلاء يتم رشه على الألواح الشمسية ويمكن أن يحل محل طبقة السيليكون.إذا انخفضت تكلفة الطاقة الشمسية بالفعل عدة مرات ، فستزداد شعبيتها أيضًا عدة مرات.
سيسمح إنشاء لوحات صغيرة للاستخدام الفردي للأشخاص باستخدام الطاقة الشمسية في أي بيئة - في المنزل أو في السيارة أو حتى خارج المدينة. بفضل توزيعها ، سينخفض الحمل على شبكة الطاقة المركزية ، حيث سيتمكن الأشخاص من شحن الأجهزة الإلكترونية الصغيرة بأنفسهم.
يعتقد خبراء شل أنه بحلول عام 2040 ، سيتم توليد حوالي نصف طاقة العالم من الموارد المتجددة. الآن في ألمانيا ، يتزايد استهلاك الطاقة الشمسية بنشاط ، وتزيد طاقة البطارية عن 35 جيجاوات. كما تعمل اليابان بنشاط على تطوير هذه الصناعة. هاتان الدولتان هما الرائدتان في استهلاك الطاقة الشمسية في العالم. من المرجح أن تنضم إليهم الولايات المتحدة قريبًا.
مصادر الطاقة البديلة الأخرى
لا يتوقف العلماء عن الحيرة بشأن ما يمكن استخدامه لتوليد الكهرباء أو الحرارة. فيما يلي أمثلة على أكثر مصادر الطاقة البديلة الواعدة.
يمكن الآن العثور على طواحين الهواء في أي بلد تقريبًا. حتى في شوارع العديد من المدن الروسية ، يتم تركيب فوانيس تزود نفسها بالكهرباء من طاقة الرياح. بالتأكيد تكلفتها أعلى من المتوسط ، لكن مع مرور الوقت سيعوضون هذا الفارق
منذ زمن بعيد ، تم اختراع تقنية تتيح لك الحصول على الطاقة باستخدامهاالاختلاف في درجة حرارة الماء على سطح المحيط وفي العمق. تعمل الصين بنشاط على تطوير هذا الاتجاه. في السنوات القادمة ، قبالة سواحل المملكة الوسطى ، سوف يقومون ببناء أكبر محطة طاقة تعمل على هذه التكنولوجيا. هناك طرق أخرى لاستخدام البحر. على سبيل المثال ، في أستراليا يخططون لإنشاء محطة طاقة تولد الطاقة من قوة التيارات.
هناك العديد من الطرق الأخرى لتوليد الكهرباء أو الحرارة. ولكن على خلفية العديد من الخيارات الأخرى ، فإن الطاقة الشمسية هي حقًا اتجاه واعد في تطوير العلوم.
