توافر الطاقة الشمسية

الشمس هي المصدر الرئيسي للحياة على الأرض. باستثناء البكتيريا العميقة في البحار التي تستخدم الطاقة من الشقوق الحرارية والكائنات التي تتغذى على تلك البكتيريا، يعتمد كل كائن حي على سطح الأرض على أشعة الشمس للبقاء على قيد الحياة. تستخدم النباتات عملية التمثيل الضوئي للنمو، والتي تتطلب ضوء الشمس. لذلك، يعتمد أي حيوان يستهلك النباتات أيضًا على الشمس، فضلاً عن جارها المفترس الذي يأكل هذا الحيوان المتغذي على النبات، وهكذا في سلسلة غذائية.

بالمثل، فإن معظم مصادر الطاقة التي يستخدمها البشر لتوليد الكهرباء تأتي في النهاية من الشمس (الاستثناءات هي الطاقة المدفونة، الجيولوجية، والنووية). تعتمد أجهزة توليد الطاقة الرياح على الشمس، حيث تنتج الرياح نتيجة لتسخين غير متساوٍ لسطح الأرض بسبب أشعة الشمس. تعتمد الطاقة الهيدروكهربائية على الشمس لأن الأنهار لن تتدفق دون وجود الشمس لتشغيل الدورة المائية، حيث تتبخر المياه وتتساقط على المناطق الأعلى. حتى الوقود الأحفوري يعتمد على الشمس، حيث جاءت المواد الأولية من النباتات، بفضل التمثيل الضوئي.

تلعب أشعة الشمس دورًا مهمًا جدًا على الأرض لأنها تهيمن على الطاقة المتدفقة إلى الغلاف الجوي الأرضي. من دون الشمس، ستكون الأرض كوكبًا باردًا ومظلمًا، غير مناسب للحياة.

تعتبر أشعة الشمس شكلاً من أشكال الطاقة، لذلك يمكن قياس كمية الضوء الشمسي الواصلة إلى الأرض في وحدة زمنية معينة على أنها قوة بالواط. نظرًا لأن جميع أشكال الحياة تستمد طاقتها من الشمس بشكل أساسي، فإن معرفة كمية الطاقة الشمسية التي تصلنا أمر حاسم - فهي تحدد الحد الأقصى للحياة والصناعة على كوكبنا.

ببعض الهندسة البسيطة والمعرفة بالإنتاج الشمسي الإجمالي، من السهل حساب كمية الطاقة الشمسية التي تصل إلى الأرض. ومع ذلك، قبل محاولة الإجابة على هذا السؤال مباشرة، سنستعرض بعض الأفكار الهامة.

الجواب بالشرح في أخر الدرس

بالإضافة إلى معرفة مساحة سطح الكرة الوهمية التي تجمع الضوء، من المهم أيضًا معرفة مساحة تجميع الضوء على الأرض. لإجراء هذا الحساب، لا نحتاج إلى معرفة مساحة سطح الأرض، بل نحتاج إلى معرفة المساحة المتوقعة، وهي المنطقة التي يعترضها الجسم.

استهلاك البشرللطاقة

إجمالي استهلاك الطاقة للبشر على الأرض يبلغ حوالي 10^13 واط، وهو بأمر من الحجم أقل بكثير من كمية الضوء الشمسي التي تصل إلى الأرض.

تدفق الطاقة من الشمس إلى الأرض يفوق بلا شك كمية الطاقة التي تتدفق من خلال مبانينا ومركباتنا بشكل كبير. لذا ينبغي أن يكون من الممكن تلبية جميع احتياجاتنا من الطاقة من الشمس. إذا استطعنا جمع كل الطاقة الواردة من الشمس، فإننا سنحتاج إلى أقل من ساعة واحدة لتلبية الطلب العالمي عن الطاقة لمدة عام كامل. يمكننا تحقيق ذلك من خلال استخدام تقنيات الطاقة الشمسية المتطورة وتركيب أنظمة الطاقة الشمسية على أسطح المباني وداخلها. يتطلب ذلك الاستثمار في البحث والتطوير لتحسين كفاءة الخلايا الشمسية وتخفيض تكاليف التركيب. فالطاقة الشمسية تعتبر حلاً مستدامًا ونظيفًا لتلبية احتياجاتنا المستقبلية من الطاقة.

حصاد جميع ضوء الشمس الواصل إلى الأرض غير عملي، ولكن لحسن الحظ، لسنا بحاجة إلى جمعه كله. خلال بقية هذا الدرس، سنقوم بدراسة كم من مساحة الجمع مطلوبة لتلبية الطلب على الكهرباء في بلدان مختلفة.

هذه البيان يبين أن 0% من الضوء بطول موجي 1.4 μm سيتم نقله من خلال الغلاف الجوي للأرض، بينما سيتم نقل حوالي 90% من الضوء بطول موجي 1.6 μm. تتوافق الفترات ذات النقل المنخفض مع أنواع معينة في الغلاف الجوي تمتص عند تلك الأطوال الموجية — على سبيل المثال، يتم امتصاص الضوء بطول موجي 1.4 μm بواسطة الماء.

لمعرفة مقدار مساحة التجميع التي نحتاجها، نحتاج أولاً إلى معرفة شدة ضوء الشمس الذي يصل إلى سطح الأرض. لحساب هذه القيمة، علينا أن نأخذ في الاعتبار أمرين.

الخطوات للجواب

الخطوة الأولى هي حساب شدة أشعة الشمس التي تصل إلى قمة الغلاف الجوي للأرض. نظرًا لأن الشمس تنبعث بالتساوي في جميع الاتجاهات، فعند وصول أشعة الشمس إلى الأرض، تنتشر قوتها على سطح كرة بنفس مساحتها، حيث يكون نصف قطر الكرة هو المسافة بين الأرض والشمس. يمكن حساب شدة الشمس في قمة الغلاف الجوي للأرض (I_top) عن طريق قسمة القدرة الكلية للشمس (P_S) على مساحة سطح تلك الكرة.

2 القيم المعطاة يؤدي إلى تقريب قيمة I_top ≈ 1360 واط/متر مربع.

نظرًا لشكل منحنى النفاذية خلال الغلاف الجوي للأرض، فإن معظم القيم في طول موجات الطيف الشمسي تتراوح حوالي 80-90%، ما عدا بعض النطاقات الضيقة من طول الموجة حيث تنخفض النفاذية إلى 0%.

باستخدام متوسط تقريبي من 0.4 μm إلى 2.4 μm، يبدو أن نسبة النفاذية الشمسية يجب أن تكون حوالي 70%. ضرب شدة الشمس في قمة الغلاف الجوي 1360 واط/متر مربع بنسبة 70% يؤدي إلى شدة عن سطح الأرض تقريبًا 1000 واط/متر مربع.

الخطوة 2 إذا لم تكن متأكدًا من كيفية العثور على النفاذية عبر الغلاف الجوي للأرض، فإليك ما يمكننا فعله. لحساب متوسط ​​النفاذية الدقيق عبر الغلاف الجوي للأرض، يجب علينا استخدام التكاملات. يمكن حساب النفاذية بواسطة

وهذا يعني أساسًا مقارنة التكامل عبر منحنى النفاذية الفعلي مع التكامل عبر منحنى النفاذية بنسبة 100%. يرجى ملاحظة أن هذا النهج المبسط لا يأخذ في الاعتبار الفرق في كثافة الطيف في طول الموجات المختلفة (أي أن ذروة كثافة الشمسية تقع في الطيف المرئي، لذا يجب علينا إعطاء أولوية لنسبة النفاذية في الطيف المرئي)، ولكن يجب أن يعطينا إجابة دقيقة بشكل معقول.

يمكن العثور على تقدير لهذه التكاملات من خلال تقدير مساحات تحت المنحنى. يمكن العثور على مساحة التكامل بضرب 100% (والتي هي فقط 1) بعرض نطاق طول الموجة الذي نهتم به. إذا كنا نركز على طول موجات من 0.4 ميكرومتر إلى 2.4 ميكرومتر، فإن عرض نطاق طول الموجة هو 2 ميكرومتر. يمكننا تقدير مساحة تحت منحنى النفاذية عن طريق تقسيمه إلى أشكال أصغر - مثل الرموز الثلاثة السوداء في الحالة المعروضة هنا:

متوسط كثافة أشعة الشمس التي تصل سطح الأرض حوالي 1000 واط/متر مربع. هذه القيمة مفيدة لتحديد المساحة التي سنحتاجها لتلبية الطلب على الطاقة أثناء سطوع الشمس، ولكن الشمس ليست دائمًا مشرقة.

لذلك، من المفيد استخدام فكرة المورد الشمسي اليومي لحساب المساحة اللازمة لتلبية طلب معين. المورد الشمسي اليومي هو كمية الطاقة الشمسية التي تتلقاها المنطقة الواحدة في اليوم الواحد في مكان معين. نظرًا لأن المورد الشمسي اليومي يأخذ في الاعتبار الطاقة التي تم جمعها خلال اليوم بأكمله، فإنه يأخذ في الاعتبار كل من الأوقات التي تشرق فيها الشمس (خلال النهار) وعندما لا تشرق (خلال الليل).

كل من الكثافة والمورد الشمسي اليومي لهما نفس الأبعاد - طاقة لكل مساحة لكل زمن. ومع ذلك، يتم قياسهما عادة بوحدات مختلفة - يتم قياس الكثافة بوحدة واط/متر مربع، بينما يتم قياس المورد الشمسي اليومي بوحدة كيلوواط/متر مربع في اليوم.

تظهر حساباتنا أن المورد الشمسي اليومي المتوسط المتاح على سطح الأرض هو 1/4 × I_surf. مع شدة عند سطح الأرض تقدر بحوالي 1000 واط/متر مربع - والتي تعادل 24 كيلوواط/(متر مربع في اليوم) - هذا يتوافق مع مورد شمسي يومي قدره 6 كيلوواط/(متر مربع في اليوم). لذلك، في المتوسط، فإن تخصيص متر مربع واحد من مساحة السطح لجمع الطاقة الشمسية سيسمح لنا بجمع 6 كيلوواط من الطاقة الشمسية كل يوم.

الآن بعد أن لدينا فكرة عن كمية الضوء الشمسي التي تصل إلى سطح الأرض، نحتاج إلى اقتراح طريقة لجمعها. دعونا نتخيل جهاز جمع شمسي عام يمكنه تحويل 25% من الضوء الشمسي الواقع عليه إلى كهرباء. سنتعلم عن آليات محددة لتحويل الضوء الشمسي إلى كهرباء في الفصول اللاحقة، ولكن في الوقت الحالي لن نقلق بشأن تفاصيل كيفية عمل جهاز الجمع الشمسي الخاص بنا.

مثال تطبيقي

الدولة الوسطى الأمريكية كوستاريكا ترغب في تلبية كامل طلبها من الكهرباء البالغ

24 جيجاوات/يوم

(2.4×10أس7

كيلووات/يوم) باستخدام الطاقة الشمسية:

الحساب

نحتاج إلى حساب مساحة التجميع المطلوبة لكوستاريكا باستخدام الطاقة الشمسية:

المورد الشمسي اليومي على سطح الأرض هو 6 kWh/(m²d).

المجمع الفعال يمكنه توفير 25% من هذه الطاقة، أي 1.5 kWh/(m²d).

إجمالي الطلب على الكهرباء في كوستاريكا هو 24 جيجاوات/يوم أو 2.4x10^7 كيلوواط/يوم.

الآن، نحتاج إلى حساب المساحة المطلوبة:

مساحة التجميع المطلوبة = 2.4* 10^7 / 1.5 م²

مساحة التجميع المطلوبة = 1.6 *10^7 { م²}

إستنتاج

المساحة المطلوبة التي حسبناها أقل بكثير من إجمالي مساحة كوستاريكا

ولذلك، ينبغي أن يكون من الممكن لكوستاريكا تلبية احتياجاتها الكاملة من الكهرباء باستخدام الطاقة الشمسية. وبطبيعة الحال، فإن كلمة "ممكن" لا تعني بالضرورة "واقعية". لا تزال هذه مساحة هائلة من مجمعات الطاقة الشمسية، وسيكون نشر ما يكفي من مجمعات الطاقة الشمسية لتغطية تلك المنطقة بمثابة مسعى استثنائي، حتى لو كانت تبدو وكأنها منطقة صغيرة على الخريطة.

لحساب مساحة التجميع المطلوبة لكوستاريكا لتلبية جميع احتياجاتها من الكهرباء بالطاقة الشمسية، استخدمنا متوسط ​​موارد الطاقة الشمسية اليومية للأرض. وفي حالة كوستاريكا، يعد هذا تقديرًا تقريبيًا معقولًا، ولكن بشكل عام، سيختلف المورد الشمسي اليومي باختلاف خط العرض.

بالنسبة للمواقع البعيدة عن خط الاستواء، لن يتمكن المجمع الموجه أفقيًا على سطح الأرض من جمع التدفق الشمسي الكامل. نظرًا لأن الشمس لا تظهر أبدًا في السماء مباشرة عند خطوط العرض الشمالية والجنوبية القصوى، فإن التدفق الشمسي الذي يصل إلى المجمع هناك سيكون أضعف:

بدلاً من استخدام متوسط ​​المورد الشمسي، من المفيد معرفة المورد الشمسي اليومي المحلي كدالة لزاوية العرض
ϕ. زاوية العرض هي الزاوية المتكونة بين متجه يشير من مركز الأرض إلى نقطة الفائدة والمستوى الاستوائي (أي المستوى الذي يحتوي على جميع النقاط على خط الاستواء)

يمكننا حساب مورد الطاقة الشمسية اليومي لبعض الأجسام عن طريق ضرب تدفق الطاقة الشمسية بالمساحة المتوقعة للجسم (أي مساحة الضوء الواقعة)، والقسمة على المساحة السطحية الكلية للجسم. يفترض هذا الحساب أن تكون كثافة الطاقة الشمسية المتوقعة موزعة بالتساوي على مساحة سطح الجسم على مدار اليوم.

ومع ذلك، في الواقع، يتغير مورد الطاقة الشمسية مع خط العرض، لذا فإن معاملة الأرض ككائن متجانس واحد يعتبر متوسطًا عبر خطوط العرض المختلفة. بالنسبة لشريحة من الأرض تتوافق مع خط العرض (يمكن أن يكون شماليًا أو جنوبيًا، سيعطي كل منهما نفس الإجابة لأن الأرض متماثلة حول خط الاستواء إذا قمنا بتجاهل الميل).

التعبير عن الموارد الشمسية المتاحة يوميًا كدالة لخط العرض

نحن نوفر حلولًا متكاملة لتوليد الطاقة الشمسية في المغرب. نحترم البيئة ونسعى لتحقيق الاستدامة البيئية من خلال تقديم حلول طاقة المستقبل.

إذا كنا نريد حساب مساحة التجميع الشمسي المطلوبة للمغرب لتلبية طلبها من الكهرباء، نحتاج إلى معرفة طلب الكهرباء اليومي للمغرب والمورد الشمسي اليومي على سطح الأرض.

لنفترض أن طلب الكهرباء اليومي للمغرب يبلغ 40 جيجاوات/يوم (40×10^6 كيلووات/يوم)، وأن المورد الشمسي اليومي على سطح الأرض هو 6 كيلووات/(م² يوم). إذن، يمكننا حساب مساحة التجميع المطلوبة كالتالي:

المورد الشمسي المطلوب = الطلب اليومي × كفاءة المجمع

= 40×10^6 كيلووات/يوم × 25% = 10×10^6 كيلووات/يوم.

ثم، لحساب مساحة التجميع المطلوبة، نقسم هذا المورد على المورد الشمسي اليومي على سطح الأرض:

مساحة التجميع المطلوبة = المورد الشمسي المطلوب ÷ المورد الشمسي اليومي على سطح الأرض

= 10×10^6 كيلووات/يوم ÷ 6 كيلووات/(م² يوم)

= 1.67×10^6 م².

إذاً، مساحة التجميع المطلوبة للمغرب لتلبية طلبها اليومي من الكهرباء تبلغ حوالي 1.67 مليون متر مربع.

خلال بقية هذا الفصل، سنتحقق من مدى توفر الموارد الشمسية بمزيد من التفصيل، بما في ذلك النظر في طرق (وحدود) زيادة شدة ضوء الشمس.