كيف تعمل الطاقة الشمسية؟ ولماذا يحتاجها العالم؟
أصبح الطلب على الطاقة في العالم ينمو بسرعة، بسبب الانفجار السكاني والتقدم التكنولوجي، لذلك من المهم للبشرية أن تتوجه لمصدر طاقة يمكن الاعتماد عليه وفقًا لهاتين الميزتين، فعّال من حيث التكلفة ومصدر دائم للطاقة المتجددة، للطلب المتزايد على الطاقة في المستقبل.
تعتبر الطاقة الشمسية من مصادر الطاقة المتجددة، وهي مصدر واعد لحل المشاكل التي تتعلق بأزمة الطاقة مستقبلًا.
تتطور صناعة الطاقة الشمسية بشكل مضطرد في جميع أنحاء العالم، بسبب ارتفاع الطلب على الطاقة، في حين أن مصدر الطاقة الرئيسي الحالي الوقود الأحفوري (Fossil fuels) بات محدودًا، بينما المصادر الأخرى باهظة الثمن؛ لذلك تمثل الطاقة الشمسية أداة لتطوير الوضع الاقتصادي في البلدان النامية، وقد أثبتت فعاليتها بعد إجراء العديد من البحوث المطولة عليها.
ما هي الطاقة الشمسية؟
تعمل الطاقة الشمسية من خلال امتصاص الألواح الشمسية ضوء الشمس – معظم الطيف الضوئي، بالإضافة إلى نصف الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء – وتحويلها إلى طاقة كهربائية للاستفادة منها في المنازل أو أماكن العمل. إن شمسنا عبارة عن مفاعل نووي طبيعي هائل، تطلق حزمًا صغيرة من الطاقة تدعى الفوتونات، والتي تسافر عبر الفضاء من الأرض إلى الشمس مسافة 93 مليون ميل في زمن قدره 8.5 دقيقة. ففي كل ساعة تصطدم الفوتونات بكوكبنا بما يكفي لتوليد الطاقة الشمسية لتلبية احتياجات الطاقة العالمية لمدة عام كامل.
في الوقت الحالي استخدامات الطاقة الشمسية محدودة للغاية، ففي الولايات المتحدة مثلًا، لا تتجاوز خمسة أعشار واحد في المائة من الطاقة المستهلكة. لكن تكنولوجيا الطاقة الشمسية ذاهبة إلى التحسن، والتكلفة المصاحبة لإنتاجها مستمرة في الانخفاض.
أظهر تقرير صادر في عام 2017 من وكالة الطاقة الدولية، أن الطاقة الشمسية أصبحت المصدر الأسرع لتوليد الطاقة في العالم – ولأول مرة يتفوق فيها نمو الطاقة الشمسية على كل أنواع المصادر الأخرى، لذا فإن حوجتنا لاستخدام الطاقة الشمسية ذاهبة إلى الازدياد.
كيف تعمل الألواح الشمسية
عندما تصطدم الفوتونات بخلية شمسية، فإن الذرات تفقد إلكتروناتها، في آلية تدعى الظاهرة الكهروضوئية «Photovoltaic effect».
من المعلوم أنه إذا تم ربط الجانب الموجب مع السالب في الموصّلات مع وجود مصدر كهربائي فإنها تكوّن دائرة كهربائية، وعندما تتدفق الإلكترونات خلال هذه الدائرة، تكون ما يعرف بالخلايا الكهربائية المتعددة لتشكل لوحة شمسية. يمكن توصيل لوحات متعددة (وحدات) معًا لتكوين مجموعة شمسية، وكلما زادت عدد اللوحات، زادت الطاقة التي يمكن توليدها.
مِمَّ تصنع الألواح الشمسية؟
تتكون الألواح الشمسية الكهروضوئية من العديد من الخلايا الشمسية، تصنع هذه الخلايا من أشباه الموصلات مثل السليكون، وتصمم في طبقتين طبقة موجبة وطبقة سالبة، والتي تكون ما يعرف بالمجال الكهربائي كما هو الحال في البطاريات.
يوضح هذا المثال بطارية تشغّل لمبة إضاءة، حيث تتحرك الإلكترونات خلال المصباح من الجانب السالب للبطارية ثم تعود إلى الجانب الموجب للبطارية. في التيار المتردد – المتناوب، يتم دفع الإلكترونات وسحبها، حيث تعكس اتجاهها بشكل دوري مثلما يحدث في دورة أسطوانة محرك السيارة، يتم توليد الكهرباء في مولدات التيار المتردد عندما تدور لفائف الملفات عدة مرات حول مغنطيس لتنشئ مجالًا كهربائيًا. يمكن للعديد من مصادر الطاقة تشغيل هذه المولدات مثل الغاز، وقود الديزل، الطاقة الكهرومائية، الطاقة النووية، والطاقة الشمسية.
تم اختيار التيار المتردد للاستخدام في معظم الشبكات الكهربائية لدول العالم، ويرجع ذلك في الأساس إلى أنها أقل تكلفة عند نقلها عبر مسافات طويلة، إلا أن الألواح الشمسية تولد التيار المستمر DC.
كيف يمكن تحويل التيار المستمر إلى تيار متردد لإدخالها في الشبكة؟ الإجابة على ذلك نستخدم العاكسات «Inveters».
ما وظيفة العاكسات الشمسية؟
يقوم العاكس الشمسي بأخذ التيار المستمر من المنظومة الشمسية وتحويله إلى تيار متردد. هذه العواكس تشبه أدمغة النظام، حيث توفر أيضًا حماية من الأخطاء الأرضية، وتقوم بعمل إحصائيات عن النظام متضمنة الجهد والتيار في كل من التيار المتردد والتيار المستمر، بالإضافة إلى تتبع إنتاج الطاقة وأقصى نقطة للقدرة.
استحوذت العاكسات الشمسية على صناعات الطاقة الشمسية منذ البداية، ويعتبر إدخال عاكسات المايكرو «Micro – inverters» إحدى أكبر التحولات التقنية في مجال إنتاج الطاقة الكهروضوئية.
تعمل عاكسات المايكرو على تحسين أداء كل لوحة شمسية على حدة، والتي من شأنها تمكين كل لوحة شمسية من القيام بأقصى جهد ممكن. في حين يتم استخدام العاكس المركزي «Centeral inveter» عند وجود مشكلة في أحد الألواح الشمسية – ربما بسبب وجودها في الظل، أو أصبح سطحها متسخًا – مما يؤثر على تقليل كفاءة أداء المنظومة الشمسية بأكملها، إلا أن عاكسات المايكرو كالتي موجودة في نظام الطاقة الشمسية المنزلية، تقوم بتفادي هذه المشاكل.
كيف تعمل أنظمة الألواح الشمسية؟
عند تركيب الألواح الشمسية في المنازل، تسقط أشعة الشمس على هذه الألواح ثم تقوم هذه اللوحات بتحويل ضوء الشمس إلى تيار مباشر – مستمر، ثم يتدفق التيار إلى العاكس الذي بدوره يحوّل الكهرباء من التيار المستمر إلى تيار متردد، بعد ذلك يمكن استخدام الكهرباء في المنازل. تعتبر الألواح الشمسية بسيطة من حيث التركيب وجميلة المظهر، كما أنّها تعطي كفاءة عالية وميسّرة لإنتاج الطاقة الكهربائية في معظم الأوقات.
لكن ما الذي سيحدث إذا لم تكن موجودًا في منزلك للاستفادة من الكهرباء التي تولّدها الألواح الشمسية، أو عندما لا يمكن لهذه الألواح أنْ تولد الكهرباء ليلًا؟
لا داعي للقلق فما زلت تستفيد من الكهرباء من خلال نظام يسمّى «عدّاد الشبكة»، وهو عبارة عن نموذج يربط النظام الكهروضوئي مع الشبكة العامة للكهرباء. ففي كثير من الأحيان تنتج الألواح الشمسية خصوصًا في الأيام المشمسة، طاقة أكثر من احتياجات الفرد، حيث يذهب فائض الطاقة إلى الشبكة العامة لاستخدامها في مكان آخر، فيحصل الفرد بالمقابل على رصيد من الكهرباء من الشبكة العامة، يمكن استخدامه عندما لا يمكن للألواح أنْ تولد الكهرباء ليلًا، أو في الأيام الملبّدة بالغيوم. في كل مرة يقوم عدّاد الشبكة بتسجيل الطاقة المرسلة من الألواح الشمسية ومقارنتها بالطاقة القادمة من الشبكة.
أهم تقنيات الطاقة الشمسية
تستخدم تقنيات الطاقة الشمسية لإنتاج الكهرباء، الحرارة، الضوء، المياه الساخنة، وعمليات التدفئة والتبريد. هناك مجموعة متنوعة من التقنيات التي تمّ تطويرها للاستفادة من الطاقة الشمسية، وفيما يلي نبرز أهم هذه التقنيات:
نظام الصحن الشمسي (Stirling) لالتقاط أشعة الشمس
أنظمة الطاقة الكهروضوئية
في هذه الأنظمة تعمل الخلايا الشمسية بتحويل ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباء، غالبًا ما تستعمل هذه الخلايا في الآلات الحاسبة والساعات، وهي مصنوعة من مواد شبه موصلة مشابهة لتلك المستخدمة في رقائق الكمبيوتر. عندما يتم امتصاص ضوء الشمس بواسطة هذه المواد، فإن الطاقة الشمسية تحفز الإلكترونات بالخروج من ذراتها، والتي تسمح للإلكترونات بالتدفق خلال المواد لإنتاج الكهرباء. تسمى عملية تحويل ضوء الشمس «الفوتونات» إلى كهرباء «الفولتية» بظاهرة التأثير الكهروضوئي «Photovoltaic Effect».
أنظمة الطاقة الشمسية لتسخين المياه
في الشتاء عادةً ما تكون المياه الضحلة – قليلة العمق – للبحيرات أدفأ من المياه العميقة، وذلك لأن ضوء الشمس يسخن قاع البحيرات التي تقع في المناطق الضحلة، تعتبر هذه العملية طريقة طبيعية لتسخين المياه بالطاقة الشمسية. يمكن استخدام ضوء الشمس أيضًا بواسطة الأنظمة الشمسية بنفس الطريقة لتسخين المياه المستخدمة في المباني وحمامات السباحة.
أنظمة الطاقة الشمسية الكهربائية
تستخدم العديد من محطات الطاقة اليوم الوقود الأحفوري كمصدر حرارة لغلي المياه، حيث يدير البخار الناتج من غلي الماء توربينات ضخمة، والتي تشغل المولدات لإنتاج الكهرباء. ظهر أيضًا جيل جديد من محطات الطاقة التي تعمل بأنظمة الطاقة الشمسية المركزة. هناك ثلاث طرق رئيسية من هذه الأنظمة لإنتاج الكهرباء هي، طريقة المرآة المقعّرة «Parabolic – Trough»، الصحن الشمسي «Dish/Engine»، وبرج الطاقة الشمسية «Power tower».
أنظمة التسخين السلبي للطاقة الشمسية والإضاءة النهارية
عندما تخرج من منزلك في يوم صيفي حار ومشمس، ستشعر بالتأكيد بضربة الشمس الحارة في جسمك الناتجة من شدة الطاقة الشمسية، اليوم تم تصميم العديد من المنازل حول العالم للاستفادة من هذا المصدر الطبيعي.
في الصيف، دائمًا ما يواجه الجانب الجنوبي أشعة الشمس، لذلك عادةً ما تحتوي المنازل التي تم تصميمها للتسخين السلبي على نوافذ كبيرة تطل على جهة الجنوب.
تصنع جدران المنازل والأرضيات والنوافذ لامتصاص وتخزين الطاقة الشمسية، حيث تقوم بإطلاق الحرارة المخزنة في الشتاء للاستفادة منها في تدفئة المنازل والأغراض المنزلية الأخرى، في حين تقوم برفض الطاقة الشمسية في الصيف. عادة ما تسمى المنازل التي تستخدم هذه المواد غير الضارة بالبيئة بالمنازل الخضراء «Green houses». أيضًا من ميزات التسخين السلبي أنها توفر إضاءة نهارية للمنازل، حيث تستخدم ضوء الشمس الطبيعي لإضفاء بعض اللمسات الجميلة داخل المنازل.
أنظمة الطاقة الشمسية للتدفئة والتبريد
تستخدم المباني التجارية والصناعية نفس تقنيات الطاقة الشمسية التي توجد في المباني السكنية – الأنظمة الكهروضوئية، التسخين السلبي، تسخين المياه – ويمكن لهذه المباني أيضًا استخدام تقنيات غير عملية في المنازل تشمل تسخين هواء التهوية، عمليات التسخين الشمسية، والتبريد بالطاقة الشمسية.
معظم العلماء يعتقدون أن زيادة انبعاث ثاني أوكسيد الكربون الناتج من حرق الوقود الأحفوري هو المسؤول عن الاحتباس الحراري وتغير المناخ في جميع أنحاء العالم.
من المؤكد أن صناعات الطاقة الشمسية ستكون أفضل خيار للطلب المتزايد على الطاقة في المستقبل نظرًا لجودتها الفائقة من حيث التوافر، كما أنها نظيفة وغير مضرة بالبيئة، فعاليتها من حيث التكلفة، سهولة الوصول إليها، والكفاءة العالية مقارنة بمصادر الطاقة المتجددة الأخرى.
