المبادئ العلمية التي ترتكز عليها عملية الأفرقة الشمسية وتكنولوجيات الطاقة المتجددة

العوامل التي تحكم الأداء الشمسي العالمي الحقيقي

بينما الخلايا المختبرية يمكنها أن تقترب من الحد الأقصى للزبائن في العالم الحقيقي تواجه خسائر كبيرة، يجب أن يحسب مصممو النظام متغيرات تتجاوز الكفاءة الداخلية للخلية

• Reflection and Soiling:] Even with anti-reflective coatings, 23% of incident light is reflected off the glass surface. Accumulated dust, snow, and Bir drops can reduce output by 5% to 20% in dry or polluted regions. Robotic clean systems and hydrophobic coatings are emerging solutions.
• Temperature Sensitivity:] Crystalline silicon cells lose about 0.4% of their rated power for every degree Celsius above 25°C. In direct sunlight, panels can easily reach 65°C, resulting in a 16% power loss. Bifacial modules and racking designs that promote air flow can help mitigate themalrmal losses.
• Angular Losses and Shading:] Output is proportional to the cosine of the angle between the panel and the direct sunlight (cosine loss). Partial shading of a single cell can drastically reduce the output of an entire string unless bypass diodes are integrated to route current around the shaded cell.
• (ب) الخسائر في الكتف والخسائر في الغلاف الجوي: [(FLT:1]] DC electricity travels from the panels to an inverter, which converts it to grid-compatible AC electricity. Inverter efficiency has improved significantly, often reaching 96-99%. However, resistive losses in wiring, combined with inverter conversion losses, can reduce overall system efficiency by 2-5%.

المبادئ التأسيسية لتكنولوجيات أخرى قابلة للتجديد

وتنطبق التصلب العلمي على الفولطية الضوئية على مصادر متجددة أخرى، وتسخير كل تكنولوجيا تدفقاً متمايزاً للطاقة الطبيعية باستخدام قوانين مادية محددة.

طاقة الرياح: "أيروديناميك" وقانون "بيتز"

وتحوّل التوربينات الفائزة الطاقة الحركية لنقل الهواء إلى طاقة ميكانيكية تناوبية، وتتناسب الطاقة في مجرى الرياح مع مكعب سرعة العجلة، مما يعني أن موقعاً يبلغ متوسط سرعة الرياح فيه 7 أمتار تقريباً ]]] مضبوطة ]، وتولد فيه الطاقة المحتملة لموقع به 5.5 أمتار/م.

كمية الطاقة الحركية التي يمكن أن تستخرجها توربين من الرياح محدودة بقانون بيتز إلى حد أقصى قدره 59.3 في المائة، وهذا لأن الرياح لا يمكن أن تُرفع إلى محطة كاملة؛ ويجب أن تحتفظ ببعض السرعة للخروج من الطائرة المروحية؛ وفي الممارسة العملية، تحقق التربينات ذات النطاق الحسن (الوصول إلى الخدمات) كفاءة تبلغ 35 إلى 45 في المائة.

الطاقة الكهرمائية: الطراز المائي وتدفق الكينتيك

وتسخر الطاقة الكهرمائية الطاقة المحتملة من المياه التي تهبط من ارتفاع، وتتناسب الطاقة المتولدة مع ناتج معدل التدفق (الحجم الثاني) والرأس الفعال (الهبوط الافتراضي) ويمكن أن تحوّل الدول الحديثة، مثل فرانسيس وكابلان، أكثر من 90 في المائة من الطاقة الميكانيكية للمياه إلى كهرباء، مما يجعل الطاقة الكهرمائية أكثر كفاءة في توليد الطاقة الكهربائية.

الحرارة الأرضية: تسخير الحرارة الداخلية للأرض

وتعتمد الطاقة الحرارية الأرضية على درجة الحرارة بين المناطق الداخلية الساخنة للأرض وسطحها، وفي النباتات الحرارية المائية، يتم حفر الآبار في خزانات تحت الأرض من المياه الساخنة أو البخار، وتفصل محطات البخار الحرارية العالية الضغط في البخار لحمل توربينات، وتستخدم النباتات البخارية الجافة السائلة البخارية البخارية مباشرة.

الطاقة البحرية: تيدال ووايف

إن الطاقة التيدالية يمكن التنبؤ بها بدرجة كبيرة لأنها تقودها القوى الجاذبية للقمر والشمس، وتشغل الشوارب التيدية مثل السدود الكهرمائية التي تبنى عبر المعالم، وتستخدم الترابينات تحت الماء التي توضع في مناطق ذات تدفق مرتفع، والطاقة المتدفقة، المستمدة من الاحتكاك الريحي على سطح المحيط، هي أقل قابلية للتنبؤ بها، ولكنها توفر لكثافة عالية من الطاقة.

الكتلة الحيوية: الطاقة الكيميائية المخزنة

وتستخدم طاقة الكتلة الأحيائية الطاقة الكيميائية المخزنة في المواد العضوية من خلال التليفزيون الضوئي، ويولد الاحتراق المباشر للأخشاب أو المخلفات الزراعية حرارة للتربينات البخارية، وتشمل الممرات المتقدمة النمو الهضم اللاهوائي لإنتاج الغازات الأحيائية (الميثان أساساً) والتخصيب لإنتاج الإيثانول.

منظمة تكامل المحاصيل الزراعية وعلم تخزين الطاقة

إن توليد الطاقة الشمسية والريحية متغيران حسب الطبيعة، إذ يتطلب تكاملها من حيث التغلغل الكبير في هذه الموارد حلولا قوية لتخزين الطاقة، وييسر التخزين سوء التوازن بين الجيل والطلب، ويوفر التخلف، والتواتر، والقدرة على الإرسال.

Electrochemical Storage (Lithium-Ion)

وتهيمن البطاريات على السوق على نطاق الشبكة نظراً لارتفاع كفاءة المرحلتين (85-95%)، وارتفاع كثافة الطاقة، وانخفاض التكلفة بسرعة، وتستلزم الكيمياء الخلوية الأساسية حركة الأيونات الليثيومية بين قطة (ومن الناحية التقليدية، درجة الحرارة العالية للدم أو درجة حرارة الليف) ودرجة الحرارة العالية (الرسمية) أثناء الشحن والتصريف

الهيدروجين المأهولة

وتظل الهيدروجين المأهولة أكبر قدرة تخزين مجهزة على الصعيد العالمي، حيث توفر تخزيناً طويل الأجل (8-16 ساعة) بتكلفة منخفضة جداً، وحتى بالنسبة لمدد أطول أو للتخزين الموسمي، فإن الهيدروجين الأخضر يبرز، ويزيد من طاقة البطاريات الكهربائية المتجددة التي تقسم جزيئات المياه إلى الهيدروجين (H2) والأكسجين (O2).

التكنولوجيات الناشئة والطريق إلى الأمام

وما زالت البحوث العلمية تدفع حدود ما هو ممكن مادياً، وتخلق الانجازات في علوم المواد، والنموذج الحاسوبي، وعلم النانو الجيل القادم من التكنولوجيات المتجددة.

(أ) خلايا قياسية من أفضل التقنيات (FLT:0) نشأت خلايا شمسية من طراز Perovskite (FLT: 1) كمنبر ثوري.

Floating Solar (Floatovoltaics)] address land-use constraints by deploying panels on reservoirs, cooling ponds, and even offshore platforms. The cooling impact of water reduces vastrmal losses and can increase panel efficiency by 2-5%, while reducing water evaporation from the reservoir. [FLT]

الاستنتاج: مؤسسة علمية موحدة

ومن التأثير الفولطائي الضوئي الذي يحكم الخلايا الشمسية إلى الرفع الهوائي الذي يدفع التربينات الريحية، فإن تكنولوجيات الطاقة المتجددة متجذرة في مبادئ علمية راسخة، وترتبط كفاءة هذه النظم بقوانين مادية، مثل الحد الأقصى لنظام شوكلي - كويسر وقانون بيتز، ولكن الابتكار المستمر في علوم المواد، وعلم الحرارة، وفهم الكهروكيميائي لا يزال يدفع هذه الحدود إلى تحقيق الاستدامة.