تُعد الطاقة الشمسية عنصرًا هامًا في مستقبل الطاقة المتجددة والنظيفة. لكن لعدد من الأسباب، كان الاعتماد عليها بطيئًا نسبيًا.
ما التحديات الرئيسية التي تحول دون اعتماد الطاقة الشمسية بشكل أسرع وعلى نطاق أوسع؟
في عصر أصبحت فيه آثار تغير المناخ واضحةً بشكل متزايد، أصبحت الحاجة للاعتماد على مصادر الطاقة المتجددة أكثر إلحاحًا من أي وقت مضى. تقف الطاقة الشمسية في طليعة هذه الثورة الخضراء، ما يوفر طريقًا للوصول إلى عالم يعتمد كليًا على الطاقة النظيفة.
الشمس هي مصدرنا الأساسي للطاقة. وفي المتوسط، يصل ما يقارب 342 واط من الطاقة الشمسية على كل متر مربع من سطح كوكبنا كل عام، بإجمالي يصل إلى 44 كوادريليون (4.4 × ) واط من الطاقة، وهي كمية طاقة تفوق إنتاج 44 مليون محطة طاقة كهربائية كبيرة.
الطاقة الشمسية:
إن جوهر الطاقة الشمسية هو الأشعة الكهرومغناطيسية القادمة من الشمس، ويمكن تسخير هذه الطاقة الإشعاعية من خلال تقنيات مختلفة لإنتاج الكهرباء والحرارة وأشكال أخرى من الطاقة.
أهم مميزات الطاقة الشمسية أنها متجددة، وتقلل كثيرًا من التأثير البيئي مقارنةً بالوقود الأحفوري.
يُعتقد أن إجمالي كمية الطاقة الشمسية التي تسقط على الأرض أكثر من كافٍ لتلبية احتياجات العالم الحالية والمستقبلية من الطاقة.
في الواقع، يعود استخدام الطاقة الشمسية إلى الحضارات القديمة، إذ ساعدت تقنيات الطاقة الشمسية السلبية في التدفئة والإضاءة. مثلًا، استخدم الإغريق والرومان الأوائل العدسات المكبرة والمرايا لإشعال النيران باستخدام أشعة الشمس. إضافةً إلى الحمامات الرومانية التي تعد من الاستخدامات المبكرة للطاقة الشمسية، إذ استُخدمت غرف شمسية ذات نوافذ كبيرة لتوجيه أشعة الشمس وتركيزها في أماكن محددة.
يمكن القول إن الاستخدامات الحديثة للطاقة الشمسية بدأت مع فهمنا للتأثير الكهروضوئي، وذلك بفضل عمل العالم الفرنسي إدموند بيكريل، الذي أقر أن الضوء يمكن أن يزيد من كمية الكهرباء المُولدة عند وضع قطبين كهربائيين معدنيين في محلول موصل.
اختُرعت الخلية الكهروضوئية المصنوعة من السيليكون بواسطة كالفين فولر، وجيرالد بيرسون، وداريل شابين في مختبرات بيل عام 1954، ما يمثل البداية العملية لتكنولوجيا الطاقة الشمسية. واليوم، أصبحت الطاقة الشمسية إلى جانب الطاقة الريحية والطاقة المائية وطاقة حرارية باطن الأرض مصدرًا سريع التوسع للطاقة المتجددة.
توفر الطاقة الشمسية أيضًا مزايا خاصة من ناحية التنوع وقابليتها للتوسع، ما يجعلها قابلة للتكيف مع مجالات متنوعة، بدءًا من المنشآت السكنية صغيرة الحجم وحتى مزارع الطاقة الشمسية الضخمة.
كيف تعمل الألواح الشمسية؟
التكنولوجيا الكهروضوئية:
إن التأثير الكهروضوئي هو ظاهرة تحوّل فيها أشباه الموصلات -المصنوعة عادةً من السيليكون- الضوء الوارد إلى تيار كهربائي بواسطة امتصاص الفوتونات وإطلاق الإلكترونات. بعبارات بسيطة، يُحول ضوء الشمس إلى تيار كهربائي، يُعرف الجهاز الذي يقوم بذلك بالخلية الكهروضوئية 2 أو (PV)، والتسمية الأكثر شيوعًا هي الخلية الشمسية.
تتكون الخلايا الشمسية من أشباه موصلات سلكونية موزعة على شكل منطقتين، يفصل بينهما منطقة ثالثة. يُطلق على المنطقة الأولى p، وهي منطقة موجبة الشحنة تمت إشابتها بواسطة مادة الفوسفور. أما المنطقة المقابلة n، فهي سالبة الشحنة وتتم إشابتها عادةً بواسطة مادة البورون.
تخلق الفوتونات الصادرة من ضوء الشمس أزواجًا من الثقوب الإلكترونية عند المنطقة العازلة، ما يولد الإلكترونات الحرة. تتدفق هذه الإلكترونات عبر الدارة الخارجية، منتجةً كهرباء قابلةً للاستخدام.
تعمل مجموعة الخلايا الشمسية أو ألواح الطاقة الشمسية على تحويل ضوء الشمس إلى تيار مستمر (DC)، ويُحول لاحقًا إلى تيار متناوب (AC).
أنواع الخلايا الشمسية:
الخلايا أحادية البلورية:
تتميز الخلايا أحادية البلورية المكونة من هيكل بلوري سيليكون واحد، بكفاءتها العالية ومظهرها الموحد. مع ذلك، يمكن أن تتطلب عملية إنتاجها كميةً كبيرة من الطاقة، ما يؤدي إلى ارتفاع البصمة الكربونية.
الخلايا متعددة البلورات:
توفر الخلايا متعددة البلورات المكونة من بلورات السيليكون المتعددة، بديلًا فعالًا من ناحية التكلفة، ويمكن استخدامها في تطبيقات متنوعة. ومع ذلك، فهي تتمتع بكفاءة أقل قليلًا مقارنةً بالخلايا أحادية البلورية، وذلك بسبب الترتيب البلوري.
الخلايا ذات الأغشية الرقيقة:
توفر الخلايا ذات الأغشية الرقيقة التي تستخدم طبقات رقيقة من أشباه الموصلات، مرونةً تسمح باستخدامها في تطبيقات خاصة. ومع ذلك، فإن كفاءتها أقل من خلايا السيليكون البلورية، وقد تتطلب مساحة سطح أكبر لإنتاج كمية الطاقة المكافئة.
كما نرى، فإن اختيار نوع الخلية الشمسية غالبًا ما يمثل مقايضةً بين الكفاءة والتكلفة ومتطلبات التطبيق المحددة. مثلًا، غالبًا ما توجد الخلايا أحادية البلورية في الألواح الشمسية المنزلية، نظرًا لكفاءتها العالية (<20٪). ومع ذلك، يمكن أن يكون إنتاجها مكلفًا بسبب هدر السيليكون.
يمكن تصنيف الخلايا الشمسية إلى ثلاث:
- خلايا الجيل الأول: يُشار إليها غالبًا بالخلايا التقليدية أو الخلايا القائمة على الرقاقة، وتُصنع بشكل أساسي من السيليكون البلوري. تشمل هذه التكنولوجيا استخدام مواد مثل البولي سيليكون والسيليكون أحادي البلورة، التي كانت أساس الأنظمة الكهروضوئية السائدة تجاريًا.
- خلايا الجيل الثاني: المعروفة باسم الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة. تشمل تقنيات مثل خلايا السيليكون غير المنظم، وCdTe، وCIGS. توظَّف هذه الخلايا ذات الأغشية الرقيقة في تطبيقات ضمن مجالات متنوعة، بدءًا من محطات الطاقة الكهروضوئية وحتى بناء الألواح الكهروضوئية المتكاملة.
- خلايا الجيل الثالث: تشمل خلايا الطاقة الشمسية التكنولوجيا الكهروضوئية الناشئة، وتتميز بتقنيات الأغشية الرقيقة التي تستخدم المواد العضوية وغير العضوية. على الرغم من أن العديد من هذه التقنيات لا تزال في مرحلة البحث أو التطوير، لكنها تبشر بإنتاج خلايا شمسية منخفضة التكلفة وعالية الكفاءة.
رغم التقدم المستمر اعتبارًا من العام 2023، تظل الخلايا الشمسية الأكثر استخدامًا وكفاءةً هي تلك المصنوعة من رقائق رقيقة من السيليكون، والتي تصادف أيضًا أنها أقدم تكنولوجيا للخلايا الشمسية.
الكفاءة والعوامل المؤثرة في الأداء:
تعد كفاءة ألواح الطاقة الشمسية مقياسًا مهمًا في تحديد مدى فاعلية تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء. الكفاءة الأكبر تعني أن ألواح الطاقة الشمسية يمكنها توليد المزيد من الكهرباء من نفس كمية ضوء الشمس.
- نوع الخلية: تتمتع الخلايا أحادية البلورية بشكل عام بكفاءة أعلى من الخلايا متعددة البلورات والخلايا ذات الأغشية الرقيقة، لأنها مصنوعة من السيليكون النقي.
- درجة الحرارة: تقل كفاءة ألواح الطاقة الشمسية مع ارتفاع درجة الحرارة، ما يعني أن أدائها قد يتأثر بدرجات الحرارة المرتفعة.
- التظليل: هذا أمر واضح بعض الشيء. فالتظليل على الألواح الشمسية ولو كان جزئيًا، يمكن أن يقلل بشكل كبير من إنتاجها. يمكن للتصاميم والتقنيات التي تتحمل الظل أن تخفف من هذا التأثير.
- الميل والاتجاه: تؤثر زاوية ألواح الطاقة الشمسية واتجاهها على كفاءتها. فالمحاذاة الصحيحة مع الشمس تعمل على تحسين توليد الطاقة. لتحقيق الكفاءة المثلى، فإن محاذاة الألواح الشمسية بزاوية قريبة من خط عرض الموقع يزيد من التعرض لأشعة الشمس وإنتاج الطاقة. ومع ذلك، أظهرت الأبحاث أن هذه القيمة تختلف باختلاف الموقع.
- الغبار والحطام: قد تؤدي الأوساخ والحطام المتراكم إلى تقليل كفاءة اللوحة. وجدت دراسة أن ما يصل إلى 60% من كفاءة الألواح الشمسية قد تُفقد بسبب تراكم الغبار وأوراق الشجر.
أنظمة الطاقة الشمسية:
أنظمة غير موصولة مع الشبكة: خارج الشبكة:
توفر أنظمة الطاقة الشمسية خارج الشبكة نهجًا تحريريًا لاستهلاك الطاقة. هذه الإعدادات مخصصة لأولئك الذين يسعون إلى الاستقلال عن الشبكة، أو أولئك الذين لا يستطيعون الوصول إلى الشبكة، وتسمح لهم بتوليد وتخزين الكهرباء.
تعد الأنظمة خارج الشبكة مثاليةً بشكل خاص للمناطق النائية. وتتكون عمومًا من الألواح الشمسية وتخزين البطاريات، وأجهزة التحكم في الشحن، والعاكسات.
أنظمة موصولة مع الشبكة:
صُممت الأنظمة المتصلة بالشبكة للعمل مع شبكة الطاقة الحالية. يتكون النظام الموجود على الشبكة من الألواح الشمسية والعاكسات واتصال الشبكة نفسها.
إذ تلتقط الألواح الشمسية ضوء الشمس وتحوله إلى كهرباء، ثم توجّه بعد ذلك إلى العاكس المتصل بالشبكة. يحول العاكس التيار المستمر الذي تنتجه الألواح إلى تيار متردد، ما يجعله متوافقًا مع الخصائص الكهربائية للشبكة.
السمة المميزة للأنظمة المتصلة بالشبكة هي اتصالها بشبكة الطاقة. تُغذى الكهرباء المولدة من الألواح الشمسية إلى الشبكة، ما يؤدي بشكل فعال إلى تحويل عداد الكهرباء إلى الخلف في عملية تعرف باسم القياس الصافي.
أنظمة الطاقة الشمسية الهجينة:
تسمح أنظمة الطاقة الشمسية الهجينة لصاحب المنزل باختيار ما إذا كان يريد توجيه الطاقة التي يولدها إلى الشبكة أو إلى نظام البطاريات المنزلية.
ختامًا، يعتمد اختيار أنظمة الطاقة الشمسية على احتياجات كل شخص وظروفه الخاصة. وتلعب عوامل مثل أهداف الطاقة والموقع والميزانية وأنماط الاستهلاك دورًا حاسمًا.
سواء كان المستخدم يسعى إلى الاستقلالية بإعداد خارج الشبكة، أو التوفير بنظام متصل بالشبكة، أو تعدد الاستخدامات بحل مختلط، سوف يساعد التفكير المتأني والتوجيه المهني في اتخاذ قرار مستنير، يتماشى مع أهداف الاستدامة.
اقرأ أيضًا:
نظام جديد للطاقة الشمسية قادر على توليد الطاقة طوال 24 ساعة
زيادة كفاءة تحويل ثنائي أوكسيد الكربون إلى وقود باستخدام الطاقة الشمسية بمقدار عشرة أضعاف!
ترجمة: يوسف الشيخ
تدقيق: جنى الغضبان
