🤰 😫 👩‍🚒 إن الطاقة الشمسية مورد ضخم لا ينضب ونظيف. ⬇️ ☝🏿 🆒

يعد توليد الطاقة الشمسية بديلاً نظيفًا للكهرباء من الوقود الأحفوري ، بدون تلوث الهواء والماء ، وغياب التلوث البيئي العالمي ودون أي تهديدات لصحتنا العامة. فقط 18 يومًا مشمسًا على الأرض تحتوي على نفس الكمية من الطاقة المخزنة في جميع احتياطيات الفحم والنفط والغاز الطبيعي على كوكب الأرض. خارج الغلاف الجوي ، تحتوي الطاقة الشمسية على حوالي 1300 واط لكل متر مربع. بعد وصوله إلى الغلاف الجوي ، ينعكس حوالي ثلث هذا الضوء مرة أخرى في الفضاء ، بينما يستمر الباقي في متابعة سطح الأرض.

يتم حساب المتر المربع على سطح الكوكب بأكمله ، ويجمع مترًا مربعًا 4.2 كيلوواط / ساعة من الطاقة كل يوم ، أو ما يعادل الطاقة التقريبية لما يقرب من برميل من النفط سنويًا. يمكن أن تستقبل الصحاري ، ذات الهواء الجاف للغاية والغطاء السحابي الصغير ، أكثر من 6 كيلووات في اليوم لكل متر مربع في المتوسط خلال العام.

تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء

إن الألواح الكهروضوئية (PV) وتركيز الطاقة الشمسية (CSP) لأجسام التقاط ضوء الشمس يمكن أن يحولها إلى كهرباء قابلة للاستخدام. تجعل الأسطح الكهروضوئية الطاقة الشمسية قابلة للتطبيق في كل جزء تقريبًا من الولايات المتحدة. في الأماكن المشمسة ، مثل لوس أنجلوس أو فينيكس ، يولد نظام 5 كيلووات في المتوسط ما بين 7000 إلى 8000 كيلو واط في الساعة ، وهو ما يعادل تقريبًا استخدام الكهرباء من أسرة أمريكية نموذجية.

في عام 2015 ، تم تركيب ما يقرب من 800000 نظام ضوئي على أسطح المنازل في جميع أنحاء الولايات المتحدة. تستخدم المشاريع الكهروضوئية واسعة النطاق الألواح الضوئية لتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء. غالبًا ما يكون لهذه المشاريع مخرجات في نطاق مئات الميجاوات ، وهي ملايين الألواح الشمسية المركبة على مساحة كبيرة من الأرض.

كيف تعمل الألواح الشمسية

تعتمد الألواح الشمسية الكهروضوئية (PV) على تقنية عالية ولكنها بسيطة بشكل مدهش تحول ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباء.

في عام 1839 ، اكتشف العالم الفرنسي إدموند بيكريل أن بعض المواد تنبعث منها شرارات من الكهرباء عند تعرضها لأشعة الشمس. اكتشف الباحثون أنه في المستقبل القريب ، يمكن استخدام هذه الخاصية ، التي تسمى التأثير الكهروضوئي ؛ تم صنع أول خلية كهروضوئية (PV) من السيلينيوم في أواخر القرن التاسع عشر. في عام 1950 ، قام العلماء في Bell Labs بمراجعة التكنولوجيا ، وباستخدام السيليكون المصنوع في الخلايا الشمسية ، تمكنوا من تحويل طاقة ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباء.

مكونات الخلايا الكهروضوئية

أهم مكونات الخلية الكهروضوئية هي طبقتان من مادة أشباه الموصلات ، تتكون عادة من بلورات السيليكون. إن تبلور السليكون نفسه ليس موصلًا جيدًا للكهرباء ، لذلك تضاف إليه الشوائب عن قصد - وهي عملية تسمى مرحلة المنشطات.

تتكون الطبقة السفلية من الخلايا الشمسية عادة من البورون المخدر ، والذي يخلق بالاشتراك مع السليكون شحنة موجبة (ع) ، في حين أن الطبقة العليا المخدرة بالفسفور ، تتفاعل مع السليكون ، تخلق شحنة سالبة (ن).

يمكن أن تترك الإلكترونات الإضافية من الطبقة n ذراتها ، بينما تلتقط الطبقة p هذه الإلكترونات. أشعة الضوء "تكسر" الإلكترونات من ذرات الطبقة n ، وبعد ذلك تطير إلى الطبقة p لتحتل أماكن فارغة. بهذه الطريقة ، تعمل الإلكترونات في دائرة ، تاركة الطبقة p ، تمر عبر الحمل وتعود إلى الطبقة n.

الطائرات بدون طيار التي تعمل بالطاقة الشمسية

تولد كل خلية طاقة قليلة جدًا (بضع واط) ، لذلك يتم تجميعها في وحدات أو لوحات. يتم بعد ذلك استخدام الألواح كوحدات منفصلة أو تجميعها في صفائف أكبر.

يوفر التحول إلى نظام كهربائي مع الكثير من الطاقة الشمسية العديد من الفوائد.

تتناقص تكلفة الألواح الشمسية بسرعة (في عام 1970 -1 كيلو واط ساعة من الكهرباء المولدة بمساعدتها تكلف 60 دولارًا ، في عام 1980 - دولار واحد ، الآن -20-30 سنتًا). ونتيجة لذلك ، ينمو الطلب على الألواح الشمسية بنسبة 25 ٪ سنويًا ، ويتجاوز الحجم السنوي للبطاريات المباعة (في الطاقة) 40mW. تبلغ كفاءة الخلايا الشمسية ، التي وصلت إلى 18 ٪ في ظل ظروف المختبر في منتصف السبعينيات ، حاليًا 28.5 ٪ للعناصر المصنوعة من السيليكون البلوري و 35 ٪ لألواح ذات طبقتين مصنوعة من زرنيخيد الغاليوم ومضاد الغاليوم. تم تطوير عناصر واعدة من مواد أشباه الموصلات ذات الأغشية الرقيقة (سميكة 1-2 ميكرون): على الرغم من أن كفاءتها منخفضة (لا تزيد عن 16٪) ، فإن التكلفة منخفضة جدًا (لا تزيد عن 10٪ من تكلفة الألواح الشمسية الحديثة). سرعان ما يقترح العلماء أن تكلفة كيلووات ساعة واحدة ستكون 10 سنتات ،الأمر الذي سيضع الطاقة الشمسية في المقام الأول في استقلال الطاقة للعديد من البلدان.

سوف يقلل البيروفسكايت من تكلفة الطاقة الشمسية

مرة أخرى في عام 2013 ، انتشرت الأخبار عبر المساحات الشاسعة للشبكة: فإن معدن البيروفسكايت سيحدث ثورة في صناعة الطاقة الشمسية. إن استخدام البيروفسكايت بدلاً من السيليكون سوف يقلل من تكلفة إنتاج الكهرباء باستخدام الألواح الشمسية. تم اكتشاف البيروفسكايت (تيتانات الكالسيوم) في بداية القرن التاسع عشر في جبال الأورال ، سميت باسم لوس أنجلوس. بيروفسكي (عاشق المعادن المشهور). كمكوِّن من الخلية الكهروضوئية بدأ استخدامه في عام 2009.

يتم تغطية البطاريات بواسطة خلية ضوئية مبتكرة منخفضة التكلفة ، وتتمثل ميزتها الرئيسية في أنها يمكن أن تحول الكثير من أجزاء ضوء الشمس إلى طاقة. البيروفسكايت عبارة عن هيكل بلوري يمتص ضوء الشمس بأقصى قدر من الكفاءة. وفقًا للتقديرات الأولية ، يمكن أن يقلل استخدام البطاريات القائمة على البيروفسكايت من تكلفة كيلووات من الطاقة سبع مرات.

"الميزة الرئيسية للخلايا الشمسية الجديدة ليست في الكفاءة بقدر ما هي في حقيقة أن المواد رخيصة للغاية. البطاريات القائمة على البيروفسكايت التي لا تستخدم السيليكون يمكن أن تجعل الطاقة الشمسية ضخمة حقًا ".

الطاقة الشمسية لمركز البيانات

تستهلك مزارع الخوادم 10٪ من إجمالي الكهرباء المولدة في العالم. نظرًا لأن الشبكات الموفرة للطاقة ومصادر الطاقة المتجددة يتم تنفيذها حاليًا في جميع القطاعات ، لم يتم استبعاد مراكز البيانات. كان التأثير السلبي لمزارع الخوادم على البيئة منذ فترة طويلة على شفاه خبراء البيئة. لذلك ، يسعى أصحاب مراكز البيانات للحد من التأثير السلبي لمراكز البيانات الخاصة بهم ، واللجوء إلى التقنيات المتقدمة الموفرة للطاقة و "الخضراء" لتوليد الكهرباء ، ويمكن أن يشمل ذلك التبريد المجاني ، وأنظمة قدرات التوليد المحلية القائمة على مصادر الطاقة المتجددة.

كمخرج - محطة للطاقة الشمسية بجوار مزرعة الخوادم ، في تلك البلدان التي تسمح بها الظروف المناخية. وهي مثالية لمزارع الخوادم التي يتم نشرها في المناطق الاستوائية أو شبه الاستوائية. بعد كل شيء ، فإن استخدام الألواح الشمسية على سطح مركز البيانات ، بالإضافة إلى توفير "الطاقة الخضراء" ، سيساعد أيضًا في تقليل الحمل الحراري على المبنى ، لأن الظل الذي يخلقونه يقلل من كمية الحرارة التي يمتصها السقف. ستقلل محطة الطاقة الشمسية من التأثير السلبي العام لمركز البيانات على البيئة ، وستزيد من موثوقية مراكز البيانات الموجودة في المناطق التي تتم فيها ملاحظة انقطاع في تشغيل شبكة الطاقة المركزية.

محطة كبيرة للطاقة المتجددة بالقرب من مركز بيانات Apple في Maiden ، شمال كارولينا (الولايات المتحدة)

بدأت شركة Switch ، بالتعاون مع شركة الطاقة Nevada Power ، ببناء محطة شمسية تعمل بطاقة 100 ميجاوات بالقرب من لاس فيغاس. في وسائل الإعلام الأمريكية ، يُطلق على Switch اسم "مثيري الشغب" في سوق مراكز البيانات التجارية ، وهو واحد من أكبر اللاعبين في هذه الصناعة. تعمل الشركة في بناء ودعم مرافق مراكز البيانات - المباني والبنية التحتية الهندسية بدون معدات الحوسبة المناسبة ، ونموذجها الرئيسي لتفاعل العملاء هو تحديد الموقع.

أكبر محطة للطاقة الحرارية في العالم 400 ميجاوات ، Ivanpa

في عام 2015 ، بدأت الولايات المتحدة واليابان في تطوير آلية جديدة لتشغيل مركز البيانات من خلال الطاقة الشمسية. يتضمن المشروع استكشاف إمكانيات جديدة "... باستخدام مجموعة من القدرات التوليدية القائمة على الطاقة الشمسية وأنظمة فئة HVDC (الجهد العالي DC) المستخدمة لتوزيع الطاقة المولدة من الألواح الشمسية على مستوى مركز البيانات." مثل هذا المزيج من HVDC والألواح الشمسية سيجعل من الممكن نشر نظام بطارية احتياطية واحد ، مع توفير التكاليف الرأسمالية والتشغيلية.

مثير للاهتمام

قام المهندس المعماري الألماني أندريه برويسل من Rawlemon بإنشاء بطارية شمسية على شكل كرة زجاجية متحركة. يسميها مولد الجيل الجديد الذي سيقبض على أكبر عدد من الأشعة ، حيث أنه مجهز بنظام تتبع الشمس ومستشعرات تغير الطقس ، وهو أكثر فعالية بنسبة 35 ٪ من الألواح الشمسية القياسية.

أعلنت شركة الطاقة اليابانية Shimizu Corporation في عام 2015 عن نيتها بناء محطة كبيرة للطاقة الشمسية على القمر الصناعي الطبيعي لكوكبنا - القمر. ستقوم محطة للطاقة على شكل حلقات بألواح شمسية بإحاطة القمر ، على غرار كوكب زحل ، ونقل الطاقة إلى الأرض. تتوقع شركة Shimizu Corporation 13 ألف تيراواط من الطاقة سنويًا من هذه المحطة الشمسية. تكلفة وتاريخ بدء مثل هذه المساحة غير معروفة حتى الآن.

قام معهد الهندسة المعمارية المتقدمة في كاتالونيا بتطوير لوحة شمسية يمكن أن تعمل على النباتات والطحالب والتربة. ميزة هذه التكنولوجيا هي رفض المواد السامة السامة والمعادن الثقيلة في إنتاج الألواح الشمسية. يستخدم بكتيريا خاصة في خلايا الوقود الصغيرة الموجودة في الأرض تحت جذور النباتات. هناك حاجة إلى البكتيريا لتوليد طاقة رخيصة في البطاريات الصغيرة. ستوفر النباتات دورة حياة البكتيريا ، وستعمل المياه كوقود للنظام بأكمله. يمكن أن يعمل هذا النظام المبتكر في المناطق التي لا يوجد فيها الكثير من ضوء الشمس إذا قمت باستبدال النباتات بالطحلب ، حيث يمكن أن تنمو في الظل.