تصل درجة حرارة سطح الشمس إلى 6000 درجة مئوية ،ويتم إجراء تفاعل الاندماج النووي باستمرار في الداخل ،وتنبعث طاقة ضخمة في الفضاء الخارجي على شكل إشعاع. ما هي خصائص الإشعاع الشمسي ،على غرار إشعاع الجسم الأسود ،حوالي 50٪من طاقة الإشعاع الشمسي موجودة في الطيف المرئي (طول الموجة الصوتية هو 0.4 ~ 0.76 ميكرون) ،7٪ في الطيف فوق البنفسجي (ال طول الموجة الصوتية أقل من 0.4 ميكرون) ،و 43٪في طيف الأشعة تحت الحمراء (طول الموجة الصوتية أكبر من 0.76 ميكرون) ،والطاقة القصوى بطول موجة 0.475 ميكرون. نظرًا لأن الطول الموجي للإشعاع الشمسي أصغر من الطول الموجي للإشعاع الأرضي والجوي (حوالي 3 إلى 120 ميكرون) ،فإنه يطلق عليه عادةً الإشعاع الشمسي باعتباره إشعاع الموجة القصيرة ،ويسمى الإشعاع الأرضي والجوي إشعاع الموجة الطويلة. الطاقة المشعة الشمسية ،والمعروفة أيضًا باسم الإشعاع الشمسي ،هي مصدر طاقة عالمي خارج الأرض. ويمكن تقسيمها تقريبًا إلى الأجزاء التالية: الإشعاع الشمسي المباشر ،والإشعاع المتناثر من السماء ،والإشعاع المنعكس على السطح ،والإشعاع الأرضي طويل الموج ،و إشعاع الموجة الطويلة في الغلاف الجوي.
إشعاع شمسي مباشر
يضعف الإشعاع الشمسي في الحد العلوي من الغلاف الجوي بدرجات متفاوتة بسبب امتصاص وانتشار وانعكاس جزيئات الغلاف الجوي والهباء الجوي والسحب في الغلاف الجوي. بشكل عام ،نظرًا لأن الغلاف الجوي لديه انتقائية معينة للإشعاع الشمسي بأطوال موجية مختلفة ،ويقع نطاق الامتصاص عمومًا في المناطق ذات الطاقة الأقل في كلا طرفي طيف الإشعاع الشمسي ،فإن الغلاف الجوي يضعف ويضعف الإشعاع الشمسي المباشر من خلال الامتصاص . ليست كبيرة جدا. من الناحية النسبية ،يعد تأثير تشتت الغلاف الجوي على الإشعاع الشمسي أحد الأسباب الرئيسية لإضعاف طاقة الإشعاع الشمسي. يتم إنشاء ما يسمى ب "نافذة الغلاف الجوي" بسبب التأثير الانتقائي للغلاف الجوي على الموجات الكهرومغناطيسية. يمكن حساب طاقة الإشعاع الشمسي المباشر الذي يصل إلى الأرض من معادلة انتقال الإشعاع في الغلاف الجوي بناءً على زاوية الارتفاع الشمسي وبيانات الأرصاد الجوية.
إشعاع شمسي مبعثر
من بين المكونات الطيفية المختلفة للإشعاع الشمسي ،تتشتت طاقته في جميع الاتجاهات بواسطة جزيئات الهواء والهباء الجوي في الغلاف الجوي ،أي الإشعاع المتناثر. وهي تختلف عن امتصاص الوسط للطاقة المشعة ،فمن المستحيل على كل جسيم في الغلاف الجوي تحويل الطاقة المشعة إلى "طاقته الداخلية" ، ولكن فقط لتغيير اتجاه الإشعاع. يرتبط الإشعاع المتناثر ارتباطًا وثيقًا بحجم الجسيمات في الغلاف الجوي ،لذلك هناك تشتت جزيئي وتشتت للحبوب الخشنة. ترتبط طاقة واتجاه التشتت ارتباطًا وثيقًا بنوع الانتثار.
مجموع الإشعاع الشمسي
مجموع قيمة الإشعاع الشمسي المباشر وقيمة الإشعاع المتناثر في ظل ظروف جوية صافية هو إجمالي الإشعاع الشمسي.
التغيرات في النشاط الشمسي والمسافة بين الشمس والأرض ستسبب تغيرات في طاقة الإشعاع الشمسي للحد الأعلى من الغلاف الجوي للأرض. تشير التقديرات إلى أن الطاقة التي تشعها الشمس إلى الأرض كل ثلاثة أيام تعادل مجموع طاقة جميع أنواع الوقود الأحفوري على الأرض. يتأثر توزيع الإشعاع الشمسي بالعديد من العوامل ،مثل خط العرض والارتفاع والظروف الجوية ووقت سطوع الشمس ،وما إلى ذلك ،والتي يجب أخذها في الاعتبار بشكل شامل. بشكل عام ،يتناقص الإشعاع الشمسي تدريجياً من خطوط العرض المنخفضة إلى خطوط العرض العالية. تكون الغيوم رقيقة في المناطق المرتفعة ،وتأثير ضعف الغلاف الجوي على الإشعاع الشمسي ضعيف ،والإشعاع الشمسي قوي ،والعكس صحيح في المناطق المنخفضة الارتفاع. تكون الغيوم قليلة في يوم مشمس ،ويكون تأثير الغلاف الجوي الضعيف على الإشعاع الشمسي ضعيفًا ،والإشعاع الشمسي قوي. في نفس المنطقة ،كلما زاد وقت سطوع الشمس ،زاد عدد الإشعاع الشمسي الذي تتلقاه. هناك ثلاث طرق يمكن للبشر من خلالها استخدام الطاقة الشمسية: التحويل الكهروضوئي والتحويل الكهروضوئي والتحويل الكيميائي الضوئي.
التحويل الضوئي
يعني التحويل من الضوء إلى الحرارة تجميع الطاقة الشمسية بواسطة مجمعات حرارة مختلفة ،واستخدام الطاقة الحرارية المجمعة لخدمة البشرية.
كان التطبيق الأكثر انتشارًا للطاقة الشمسية في الأيام الأولى هو تسخين المياه ،وهناك الآن الملايين من سخانات المياه بالطاقة الشمسية في العالم. يشتمل نظام تسخين المياه بالطاقة الشمسية بشكل أساسي على ثلاثة أجزاء: المجمع وجهاز التخزين وخط أنابيب التدوير.
تم استخدام الطاقة الشمسية للتدفئة في الشتاء لسنوات عديدة في العديد من المناطق الباردة. نظرًا لأن درجة الحرارة في المنطقة المتجمدة منخفضة جدًا في الشتاء ،يجب أن تكون هناك معدات تدفئة بالداخل.إذا كنت ترغب في توفير استهلاك الطاقة الأحفورية ،يمكنك محاولة استخدام الطاقة الشمسية. تستخدم معظم البيوت الزجاجية الشمسية أنظمة تسخين المياه ،وهناك أمثلة على استخدام أنظمة الهواء الساخن. يتكون نظام التسخين الشمسي من مجمعات الطاقة الشمسية وأجهزة التخزين الحراري وأنظمة الطاقة المساعدة وأنظمة مروحة التدفئة الداخلية. يتم تخزين الحرارة المشعة الشمسية بواسطة سائل العمل في المجمع ثم تسخين الغرفة.
في الوقت الحاضر ،قامت الولايات المتحدة ببناء أكثر من مليون نظام تسخين بالطاقة الشمسية نشط وأكثر من 250000 منزل شمسي سلبي يعتمد على التدفق الطبيعي للهواء البارد والساخن.
التحويل الكهروضوئي
التحويل الكهروضوئي هو تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية. في الوقت الحاضر ،هناك طريقتان لاستخدام الطاقة الشمسية لتوليد الطاقة: الأولى هي توليد الطاقة الحرارية ،وهي أولًا استخدام مجمّع حراري لتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية ،ثم استخدام التوربينات البخارية لتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية. الطاقة ؛والثاني هو توليد الطاقة الكهروضوئية ،والتي تستخدم الخلايا الشمسية ،والتأثير الكهروضوئي يحول مباشرة الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية.
مبدأ عمل الخلايا الشمسية: الخلية الشمسية هي جهاز يستجيب للضوء ويحول الطاقة الضوئية إلى كهرباء. هناك أنواع عديدة من المواد التي يمكن أن تنتج تأثيرًا ضوئيًا ،مثل: السيليكون أحادي البلورة ،السيليكون متعدد الكريستالات ،السيليكون غير المتبلور ،زرنيخيد الغاليوم ،السيلينيوم والنحاس الإنديوم وما إلى ذلك. مبادئ توليد الطاقة الخاصة بهم هي نفسها بشكل أساسي ،مع أخذ البلورات كمثال لوصف عملية توليد الطاقة الكهروضوئية. يمكن تخدير السيليكون البلوري من النوع P بالفوسفور للحصول على السيليكون من النوع N ،مما يشكل تقاطع PN. عندما يشع الضوء على سطح الخلية الشمسية ،يتم امتصاص جزء من الفوتونات بواسطة مادة السيليكون ؛يتم نقل طاقة الفوتونات إلى ذرات السيليكون ،مما يتسبب في انتقال الإلكترونات ،لتصبح إلكترونات حرة تتجمع على جانبي تقاطع PN لتشكيل فرق جهد.عندما يتم توصيل الدائرة ،تحت تأثير الجهد ،سوف يتدفق التيار عبر الدائرة الخارجية لإنتاج طاقة خرج معينة. جوهر هذه العملية هو: عملية تحويل طاقة الفوتون إلى طاقة كهربائية ،وأساس تحويل طاقة الخلايا الشمسية هو التأثير الكهروضوئي للتقاطع. عندما يتم تشعيع الضوء على تقاطع PN ،يتم إنشاء زوج من الثقوب الإلكترونية. وتصل الموجات الحاملة المتولدة بالقرب من التقاطع الداخلي لأشباه الموصلات إلى منطقة الشحن الفضائي دون إعادة توحيدها. تتدفق الإلكترونات إلى n تتدفق المنطقة والثقوب إلى p ونتيجة لذلك ،هناك إلكترونات زائدة في منطقة n وثقوب زائدة في المنطقة p. إنها تشكل مجالًا كهربائيًا متولدًا بالصور في الاتجاه المعاكس بالقرب من تقاطع pn. بالإضافة إلى التعويض الجزئي لتأثير المجال الكهربائي للحاجز ،فإن المجال الكهربائي المتولد ضوئيًا يجعل المنطقة p مشحونة إيجابياً والمنطقة N مشحونة سلبياً. يتم إنشاء قوة دافعة كهربائية في الطبقة الرقيقة بين المنطقة N و P -منطقة ،وهو التأثير الكهروضوئي. في هذا الوقت ،إذا كانت الدائرة الخارجية قصيرة الدائرة ،فإن التيار الضوئي الذي يتناسب مع طاقة الضوء الساقط يتدفق في الدائرة الخارجية. ويسمى هذا التيار تيار الدائرة القصيرة. ومن ناحية أخرى ،إذا كان كلا طرفي تقاطع PN تتدفق الثقوب إلى المنطقة N والمنطقة P على التوالي ،بحيث يكون مستوى فيرمي للمنطقة N أعلى من مستوى فيرمي في المنطقة P ،وينشأ فرق محتمل بين مستويين فيرمي. يمكن قياس هذه القيمة وتسمى بجهد الدائرة المفتوحة. لأن التقاطع في انحياز أمامي في هذا الوقت. لذلك ،فإن التيار الكهروضوئي للدائرة القصيرة المذكور أعلاه يساوي التيار الأمامي للديود ،وبالتالي يمكن تحديد قيمة فرق الجهد. في الوقت الحاضر ،لا تزال تكلفة الخلايا الشمسية مرتفعة نسبيًا ،ولتحقيق طاقة كافية ،هناك حاجة إلى مساحة كبيرة لوضع الخلايا.
في عام 1953 ، طورت Bell Labs في الولايات المتحدة أول خلية شمسية من السيليكون بكفاءة تحويل 0.5٪، وفي عام 1994 ، زادت كفاءة تحويل الخلايا الشمسية إلى 17٪.
التحويل الكيميائي الضوئي
يعني التحويل الكيميائي الضوئي تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية أولاً ،ثم إلى طاقة أخرى مثل الطاقة الكهربائية. نحن نعلم أن النباتات تعتمد على الكلوروفيل لتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية لتحقيق نموها وتكاثرها ،وإذا أمكن الكشف عن سر التحول الكيميائي الضوئي ،فيمكن استخدام الكلوروفيل الاصطناعي لتوليد الكهرباء. حاليًا ،يتم استكشاف التحويل الكيميائي الضوئي الشمسي وبحثه بنشاط.