الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية: ماذا وكيف نتحول وأمثلة وحقائق 


في هذه المقالة ، سنقوم بتحليل الطاقة الشمسية إلى أمثلة على تحويل الطاقة الكيميائية وجوانب أخرى منها.  

التمثيل الضوئي هو تحويل الطاقة الشمسية (وقود خفيف من الشمس) إلى وقود كيميائي (شكل من أشكال الجلوكوز أو جزيئات عضوية أخرى). يحدث في البلاستيدات الخضراء. الكلوروفيل مادة خضراء توجد في النباتات. 

يسمح التمثيل الضوئي للنباتات بتكوين طعامها من ثاني أكسيد الكربون والرطوبة في وجود ضوء الشمس والكلوروفيل. ينتج عن هذا الإجراء إطلاق الأكسجين وإنتاج الجلوكوز. يمكن تخزين الجلوكوز وتحويله إلى نشا أو استخدامه للتنفس. تم استخدام التمثيل الضوئي من قبل الأشجار والشجيرات والأعشاب والطحالب على الرغم من زمن بعيد. يحققون ذلك عن طريق إنتاج الصباغ العضوي الكلوروفيل في خلاياهم.

بمساعدة أشعة الشمس ، تقوم أجزاء النبات المحتوية على الكلوروفيل بتحويل ثاني أكسيد الكربون (CO2) والرطوبة إلى أكسجين وجلوكوز. يحصل النبات على طاقته من الجلوكوز ، ويتم تصريف الأكسجين. نتيجة لذلك ، كثيرًا ما يطلق على الغابات اسم "الرئتين الخضراء". يطمح التمثيل الضوئي الاصطناعي إلى أن يكون مثل نظيره الطبيعي. في الأساس ، يتعلق الأمر "فقط" بفصل الماء إلى هيدروجين وأكسجين باستخدام ضوء الشمس ، بدلاً من إنتاج الجلوكوز.  

يمكن بعد ذلك استخدام الهيدروجين المتولد كوقود ، للتوضيح ، لتشغيل سيارات خلايا الوقود ، أو يمكن بالفعل استخدامه لتجميع الهيدروكربونات مثل الميثان (العنصر الأساسي للغاز العضوي) ، أو الإيثان ، أو البروبان ، أو حتى (السائل) ) الأوكتان.  

 

 كيف تحول الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية؟ 

يتم تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية. عندما يتخلى جزيء الكلوروفيل الخاص المنشط كيميائيًا في الموقع النشط الضوئي عن إلكترون أثناء تفاعل الأكسدة ، يتحول الوقود الخفيف إلى وقود كيميائي. 

يمتص جسيم واحد من الصباغ الكلوروفيل فوتونًا واحدًا ويتخلى عن إلكترون واحد في استجابات التوهج. ذهب هذا الإلكترون إلى فيوفيتين ، وهو شكل متغير من الكلوروفيل ينقل الإلكترون إلى جزيء كينون ، مما يتيح بداية تدفق الإلكترونات تحت تسلسل عبور الإلكترون الذي يساهم في النهاية في تقليل NADP إلى NADPH. 

يؤدي هذا أيضًا إلى إنشاء منحدر بروتون في جميع أنحاء غشاء البلاستيدات الخضراء ، والذي يستخدمه ATP synthase لتخليق ATP المتزامن. يستعيد جزيء الكلوروفيل إلكترونًا من جزيء الماء عبر إجراء يُعرف باسم التحلل الضوئي ، والذي ينتج عنه تكوين جزيء ثنائي الأكسجين (o2). 

متى يتم تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية؟ 

عندما يتم امتصاص فوتون بطول موجي أقل من 700 نانومتر ، يتبرع جزيء الكلوروفيل بإلكترون عالي الطاقة ، والذي يستخدم لإجبار أيون الهيدروجين على طول غشاء ثايلاكويد في البلاستيدات الخضراء. ينتج عن هذا تكوين جهد كيميائي عبر الغشاء. تؤدي العديد من الجسيمات المحفورة في هذا الغشاء وظائف مختلفة من خلال السماح لأيونات الهيدروجين بالتدفق في الاتجاه المعاكس.

الشيء الرئيسي الذي يحدث هنا هو أن NADP + يتم تحويله إلى NADPH. في إجراءات الخلايا الخلوية ، يعمل NADPH كمصدر طاقة شامل. تستخدم النباتات NADPH لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى كربوهيدرات.  

الطاقة الشمسية إلى عملية تحويل طاقة كيميائية 

البناء الضوئي يحدث في البلاستيدات الخضراء ، وهي خلايا نباتية فريدة توجد في أوراق الشجر. يشبه البلاستيدات الخضراء المنفصلة كيس مليء بالمكونات الأساسية لعملية التمثيل الضوئي. يحتوي على المياه المستهلكة من جذور النبات ، وثاني أكسيد الكربون الموجود في الغلاف الجوي الذي تستهلكه الأوراق ، والكلوروفيل الموجود في الثايلاكويدات ، وهي عضيات مطوية تشبه المتاهة. 

الكلوروفيل هو المحفز الحقيقي لعملية التمثيل الضوئي. هذا الجزيء الحساس للضوء مطلوب لبدء العملية بواسطة البكتيريا الزرقاء والعوالق ونباتات الأرض. 

نظرًا لأن جزيئات الكلوروفيل تمتص الأشعة الخضراء بشكل سيئ ، فإنها تصورها على أنها عاكسات صغيرة ، مما جعل أعيننا تدرك معظم الأوراق على أنها خضراء. فقط في الخريف ، بعد أن تتحلل البلاستيدات الخضراء ، نرى درجات اللون الأصفر والبرتقالي اللامحدودة الناتجة عن أصباغ الكاروتين. 

كيف تحول الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية في المنزل؟

ربما تكون قد سمعت عن الكهروضوئية ، والتي تستخدم في الألواح الشمسية. بمجرد أن تضيء الشمس على لوح شمسي ، يتم امتصاص الطاقة بواسطة الخلايا الكهروضوئية الموجودة على اللوحة. تنتج هذه الطاقة شحنات كهربائية تنتقل استجابةً لحقل كهربائي داخلي في الخلية ، مما يتسبب في تدفق الكهرباء.  

تُستخدم العاكسات لتصوير ضوء الشمس والبدء في تركيزه بالكامل على المستقبِلات ، والتي تقوم بتجميع الوقود الشمسي وتحويله إلى بخار ، والذي يمكن استخدامه بعد ذلك لتوليد الوقود أو تجميعه لاستخدامه لاحقًا. يتم استخدامه في الغالب في محطات الكهرباء الكبيرة جدًا. 

 لا ينتهي ابتكار الطاقة الشمسية مع عصر الطاقة الكهربائية بواسطة الأنظمة الكهروضوئية أو أنظمة الطاقة الشمسية المركزة. يجب دمج منصات الطاقة الكهروضوئية هذه في المساكن والشركات وتخطيطات الطاقة القائمة باستخدام مجموعة متنوعة من منافذ الطاقة التقليدية والصديقة للبيئة. 

الطاقة الشمسية إلى أمثلة الطاقة الكيميائية 

تتضمن بعض التطبيقات الشائعة للطاقة الشمسية ما يلي: 

  • تسخين المياه بالطاقة الشمسية هو مثال شائع للطاقة الشمسية
  • الخلايا الضوئية
  • تكنولوجيا الطاقة الشمسية
  • إنارة من الشمس 
  • السطح الشمسي 

تسخين المياه بالطاقة الشمسية هو مثال شائع للطاقة الشمسية

كثير من الناس لا يدركون أن غلايات المياه بالطاقة الشمسية وغلايات الفضاء الشمسية باهظة الثمن وطرق أفضل لتبخير المنازل دون الحاجة إلى نشر الألواح الشمسية. تستخدم سخانات الفضاء الشمسية جوًا أو وسطًا مائيًا لتحويل طاقة الشمس إلى وقود تدفئة. من ناحية أخرى ، يتم استخدام الماء كوسيط انتقال حراري في سخانات المياه بالطاقة الشمسية. أنظمة التسخين الكهروضوئية النشطة والسلبية متوفرة.

تستخدم المضخات في المعدات لتمكين الماء من السفر وبالتالي توليد الحرارة. في المقابل ، تعتمد الأنظمة السلبية على الدورة الدموية الطبيعية. القدرة على تسخين حمام سباحة كامل بتكلفة منخفضة بشكل لا يصدق تميز أنظمة التدفئة الحرارية عن السخانات الأخرى مثل دفاعات الزيت والغاز. 

الخلايا الضوئية 

تُستخدم الخلايا الشمسية لتشغيل مجموعة كبيرة من الأجهزة ، من الآلات الحاسبة إلى الصناعات بأكملها. على الرغم من استخدام الخلايا الصغيرة منذ فترة طويلة لتقوية الأجهزة الصغيرة مثل الآلات الحاسبة ، إلا أن الخلايا الكبيرة قد حققت تقدمًا في الصناعة في السنوات الأخيرة. الخلايا الكبيرة قوية بما يكفي لتزويد منازل بأكملها بالطاقة. 

بسبب ملاءمتها للبيئة ، فهي مساهمات باردة في الطاقة. فهي ليست طويلة الأمد فحسب ، ولكنها تتطلب القليل من الصيانة ، كما أنها غير مكلفة نسبيًا على المدى الطويل. 

تكنولوجيا الطاقة الشمسية 

تتضمن الإلكترونيات الآن ميزات تسمح بالشحن بالطاقة الشمسية. التفسير الشائع هو الموصل الذي يعمل بالطاقة الشمسية ، والذي يمكنه شحن أي شيء من الأجهزة اللوحية إلى الهواتف المحمولة. تتوفر أيضًا المصابيح التي تعمل بالطاقة الشمسية اليوم ، ويمكن شحنها ببساطة عن طريق التعرض لأشعة الشمس. 

مع التركيز بشكل أكبر على الإشعاع المتجدد ، ليس هناك شك في أن العديد من الناس سيشرعون في البدء في تبني الطاقة الشمسية للمكونات التي يمكن أن تغذيها أشعة الشمس. يُعد هاتف Apple مثالاً على كيفية استخدام الوقود الشمسي بنجاح لتنشيط أداة إلكترونية. إلى جانب الساعة التقليدية ، لا يلزم شحن هاتف Apple يوميًا. 

إنارة من الشمس 

غالبًا ما يقوم أصحاب العقارات هؤلاء بتحسين الأهمية الأسلوبية والإنتاجية لممتلكاتهم من خلال دمج الإضاءة الشمسية الخارجية. لا يتطلب المصباح الشمسي ، باستثناء الإضاءة الخارجية الكلاسيكية ، تركيبًا متقدمًا ولكن نظرًا لأن المصابيح تستخدم تقنيات لاسلكية متقدمة وتغليف طاقة الشمس طوال اليوم للتخلص من الحاجة إلى توفير الطاقة في الليل. 

نظرًا لأن المصابيح الشمسية ليست شائعة مثل الألواح الشمسية ، فإنها تلحق بسرعة بأنظمة التدفئة المنزلية الذكية ومصابيح LED كسلع طاقة يمكن أن تدعم بالفعل فواتير الطاقة المخفضة. 

السطح الشمسي 

نظرًا للمجموعة الواسعة من الأدوات التي يمكن الوصول إليها في الصناعة حاليًا ، يتجاهل معظم الناس أهم استخدام للطاقة الشمسية ، وهو الطاقة الشمسية على الأسطح. نظرًا لأن الطاقة الشمسية لها العديد من التطبيقات ، مثل تشغيل البطاريات والطائرات الطائرة ، فيمكنها أيضًا أن تلعب دورًا مهمًا في تقليل بصمات الكربون وفواتير الطاقة. كل عام ، يمكن للنظام الشمسي الموجود على السطح أن يوفر للسكان آلاف النقود. 

عند التفكير في التحول إلى الوقود الشمسي ، قم بعمل فكرة لحساب المدخرات الشمسية المحتملة الخاصة بك وتحديد تأثير التمويل في الأجهزة الشمسية على موارد منزلك المالية. 

يعد استخدام المنتجات الصغيرة وأدوات تحسين المنزل لتحسين إنتاجية منزلك فكرة جيدة. ومع ذلك ، فإن تركيب لوحة شمسية على المدى الطويل هو أفضل طريقة لتقليل فواتير الكهرباء وتقليل انبعاثات الكربون. 

الطاقة الشمسية مقابل الطاقة الكيميائية 

يسبب ضوء الشمس استجابة كيميائية توفر الطاقة لنمو النباتات. الطاقة الكيميائية هي الكهرباء المخبأة في الروابط الموجودة بين المركبات مثل الجزيئات دون الذرية والجزيئات. التفاعل الكيميائي هو عملية يتم من خلالها إعادة تشكيل الذرات كنتيجة لتغير كيميائي ، من المحتمل أن يؤدي إلى تكوين مادة جديدة. 

يتم تقسيم الرطوبة إلى هيدروجين وأكسجين باستخدام الطاقة من طاقة الشمس في تقنية واحدة. الاستخراج في ضوء النهار عبر الخلايا الشمسية والتحليل الكهربائي للرطوبة هي إجراءات يمكن (نظريًا) إجراؤها بشكل فردي. ومع ذلك ، كما يصف أندرياس بورشولت ، يمكن حقًا دمجها على مستوى ضئيل. في الخلايا الكهروكيميائية الضوئية ، والمعروفة أيضًا باسم خلايا PEC ، يُطلق على هذا التحليل الكهربائي الضوئي. اكتشف علماء إمبا خلية PEC في عام 2014. ضع في اعتبارك وعاء رطوبة مزودًا بقطب ضوئي وقطب كهربائي عكسي. تمتص الصورة الضوئية ضوء النهار وتولد الكهرباء ، والتي تُستخدم لتقسيم المياه.

في الختام

علاوة على ذلك ، تأتي الإضاءة الشمسية مع عدد كبير من مجموعات الإضاءة الباهظة التي يمكن أن تحسن بشكل كبير من مظهر الهواء الطلق لأي عقار. منتجات الإضاءة هذه غير مكلفة ومتاحة على نطاق واسع في متاجر البيع بالتجزئة المحلية. يعود انتشار مصابيح الطريق اليوم إلى تكلفتها المنخفضة وتوافرها الجاهز. 

SAKSHI كم

أنا ساكشي شارما ، لقد أكملت تخرجي في الفيزياء التطبيقية. أحب الاستكشاف في مجالات مختلفة وكتابة المقالات هي واحدة منها. في مقالاتي ، أحاول تقديم الفيزياء بأكثر الطرق فهمًا للقراء.

آخر المقالات