ثقافة عامة

الطاقة الشمسية، طرق انتاجها، استخداماتها وأهميتها

الطاقة الشمسية، طرق انتاجها، استخداماتها وأهميتها

إنتاج الطاقة النظيفة من الشمس وأبرز النقاط الغامضة في هذه العملية، يمكن للطاقة الشمسية أن تقلل من قيمة فاتورة الكهرباء ومن التكلفة والضرائب، حيث سجلت المملكة المتحدة في شهر أيار/ مايو من هذا العام رقماً جديداً بتوفير ما يقارب ربع احتياجات البلاد من الكهرباء بسبب الطقس الصيفي المشمس، حيث أن الآلاف من الألواح الشمسية كانت تولد كل يوم جمعة عند الواحدة ظهراً ما يقارب 8.7 جيغا واط أو 24.3% من الطلب، محطمة بذلك الرقم المسجل في الشهر السابق بإنتاج 8.4 جيغا واط.

تتحول الطاقة الشمسية الكهروضوئية بسرعة إلى تكنولوجيا منخفضة التكلفة، حيث توفر الطاقة الشمسية نسبة 1.3٪ فقط من إجمالي إنتاج الطاقة الكهربائية في جميع أنحاء العالم ولكنها تنمو بنسبة 33٪ سنوياً، ويتوقع لها أن تكون من أهم مصادر الطاقة البديلة خلال السنوات القليلة القادمة.

مفهوم الطاقة الشمسية أو ما يعنيه مصطلح الطاقة النظيفة

الطاقة الشمسية هي عملية تحويل أشعة الشمس إلى طاقة كهربائية، حيث تستخدم الطاقة الشمسية العدسات والمرايا وأنظمة التتبع على مساحات واسعة لالتقاط أشعة الشمس، فتتحول الخلايا الضوئية من خلال أجهزة التقاط الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية.

كانت الخلايا الكهروضوئية تستخدم في البداية كمصدر للكهرباء للتطبيقات الصغيرة ومتوسطة الحجم، من آلة حاسبة تعمل على الطاقة الشمسية، إلى منازل نائية لا تصلها الكهرباء تُدعم بألواح ضوئية على السطوح، بعد ذلك تم تطوير محطات الطاقة الشمسية المركزة التجارية تحديداً في الثمانينات من القرن الماضي.

حيث تأسست أكبر محطة للطاقة الشمسية في العالم؛ (محطة إيفانباه) التي تقع في صحراء موهافي في كاليفورنيا بالولايات المتحدة الأميركية، حيث كانت تنتج يومياً 392 ميغا واط من الطاقة الكهربائية.

تطور استخدام الطاقة الشمسية

مع انخفاض تكلفة الطاقة الشمسية ازدادت أنظمة الطاقة الكهرضوئية، وأصبح هناك العديد من الشبكات التي تصل لملايين الناس، كما أصبحت هذه المحطات تنتج كميات كبيرة من الطاقة الشمسية الكهرضوئية التي تتحول لتكنولوجيا نظيفة منخفضة التكاليف.

وتوقعت وكالة الطاقة الدولية عام 2014 أنه في ظل سيناريوهات الطاقة المتجددة العالية، ستسهم الطاقة الشمسية المركزة بنحو 11- 16% من استهلاك الكهرباء في جميع أنحاء العالم بحلول عام 2050، وستكون الطاقة الشمسية أكبر مصدر للكهرباء في العالم.

كما سوف تتمركز معظم المنشآت الشمسية في الصين والهند، واعتباراً من عام 2016 أصبحت الطاقة الشمسية تشكل نسبة 1% فقط من إجمالي إنتاج الكهرباء في جميع أنحاء العالم، إلا أنها تنمو بنسبة 33% سنوياً.

في المقابل قامت الكثير من البلدان الصناعية بتركيب محطات الطاقة الشمسية بأعداد كبيرة لتوفير مصادر بديلة للطاقة، كما أن عدداً كبيراً من البلدان منخفضة الدخل أصبحت تعتمد على الطاقة الشمسية للحد من استهلاك الوقود المستورد باهظ الثمن.

توليد الكهرباء من الشمس

تستخدم محطات الطاقة الشمسية إحدى الطريقيتن: إما بطريقة مباشرة بأن تستخدم الأنظمة الكهروضوئية من خلال الألواح الشمسية على أسطح المنازل أو المزارع الشمسية الموجودة على الأرض وأشعة الشمس المباشرة في الطاقة الكهربائية.

أو بطريقة غير مباشرة باستخدام الأشعة الضوئية المركزة التي تُستخدم فيها الطاقة الحرارية الشمسية لتسخين المياه وتشكيل البخار، والتي يتم من خلالها استخراج الطاقة الكهربائية عن طريق التوربينات.

طرق استغلال الطاقة الشمسية المباشرة

  1. الألواح الضوئية: تسمى بالخلايا الشمسية أو الخلايا الكهرضوئية، وهو الجهاز الذي يحول أشعة الشمس والضوء إلى طاقة كهربائية، حيث تم بناء أول خلية شمسية من قبل تشارلز فريتس عام 1880، وكان إرنست فيرنر فون سيمنز الألماني من بين الذين اعترفوا بأهمية هذا الاكتشاف، وفي عام 1931 طور المهندس الألماني برونو لينغ نظام الخلية باستخدام سيلينيد الفضة بدلاً من أكسيد النحاس، حيث كانت تحول أقل من 1٪ من الضوء إلى كهرباء، ثم قام الباحثون جيرالد بيرسون وكالفن فولر وداريل تشابين بإنشاء الخلية الشمسية السيليكونية عام 1954، كلفت هذه الخلية الشمسية حينها 286 دولاراً أمريكياً، ووصل إنتاجها إلى ما بين 4.5 و6% من الطاقة الضوئية إلى كهرباء.
  2. المصفوف الضوئي الجهدي: هو عبارة عن صف من الألواح الشمسية التي تضم العديد من الخلايا الشمسية، تنتج هذه الألواح المصفوفة الكهرباء بشكل مباشر، حيث ترتبط هذه الخلايا بوحدات سلكية تربط بين الصفوف، ثم تُربط بالعواكس الكهربائية التي تحول الطاقة المستمرة إلى تيار متردد، وتستخدم هذه التقنية في كثير من البلدان لتخزين طاقة إضافية يتم استخدامها عند الحاجة، كما تستخدم في عدة أماكن في المنازل أو حتى في الأقمار الصناعية.

طرق استغلال الطاقة الشمسية المركزة

تستخدم الطاقة الشمسية المركزة العدسات أو المرايا أو أنظمة التتبع لتسليط كمية من أشعة الشمس على بقعة معينة، فتقوم بتحويل الضوء مباشرة إلى كهرباء، حيث أن حرارة إشعاع الشمس تولد الكهرباء من خلال البخار الناتج عن العملية، وهناك عدة تقنيات لهذه الطريقة، منها:

  1. حوض القطع المكافئ: حيث يتكون الحوض من عاكس مكافئ يركز الضوء على جهاز استقبال موضوع على طول الخط البؤري للعاكس، والمتلقي أو جهاز الاستقبال عبارة عن أنبوب موضوع مباشرة في منتصف المرآة والمليئة بسائل معين، حيث يكون الحوض على شكل حرف U يجمع السائل في وسطه للتسخين واستخراج البخار.
  2. عاكسات فريسنل الخطية المدمجة: تستخدم عدة شرائط رقيقة بدلاً من المرايا لتركيز أشعة الشمس على أنبوبين مع السوائل، ميزة هذه التقنية بأن المرايا المسطحة التي يمكن استخدامها أرخص بكثير من المرايا المكافئة، كما يمكن وضع المزيد من العاكسات في نفس المساحة؛ مما يسمح باستخدام المزيد من ضوء الشمس، ويمكن استخدام عاكسات فريسنل الخطية المركزة في المصانع الكبيرة.
  3. الطبق الشمسي ستيرلنغ: يجمع هذا النمط الطبق المكافئ مع محرك ستيرلينغ، من مزايا ستيرلينغ الشمسي أنه أعلى كفاءة في تحويل أشعة الشمس إلى كهرباء وعمره أطول.
  4. برج الطاقة الشمسية: هو مجموعة من عاكسات التتبع لتركيز الضوء على جهاز استقبال مركزي فوق البرج، حيث أن أبراج الطاقة أكثر فعالية وأرخص من حيث التكلفة، كما توفر أعلى كفاءة وأفضل قدرة تخزين للطاقة مقارنة مع باقي التقنيات، تعتبر محطة الطاقة الشمسية PS 10 ومحطة الطاقة الشمسية PS 20 أمثلة على هذه التكنولوجيا.

تدخل الطاقة الشمسية ضمن نطاق البيع والشراء كسلعة اقتصادية

وصلت تكلفة إنتاج الواط الواحد من الكهرباء النظيفة إلى ما يقارب 96 دولار أميركي في منتصف الستينات من القرن الماضي، لكن مع تحسن عمليات الإنتاج انخفض الرقم ليصل عام 2016 إلى 68 سنت أميركي لكل واط وفقاً لتقديرات منظمة بلومبرغ لتمويل الطاقة، كما وقعت إحدى الشركات في ولاية كاليفورنيا الأميركية اتفاقية شراء بالجملة ضمنت فيها الطاقة الشمسية بتكلفة 3.7 سنت لكل كيلو واط، كذلك دبي التي تولد كميات كبيرة من الطاقة الشمسية باعت عام 2016 كل كيلو واط بـ 2.99 سنت.

فالنظم الكهرضوئية لا تستخدم أي وقود، إنما تقتصر تكاليفها على الرأسمال المطلوب لتشغيل محطة شمسية، بالإضافة إلى تكاليف الصيانة والتشغيل للمحطات، كما أنشأت بعض الحكومات حوافز مالية لتشجيع استخدام الطاقة الشمسية مثل برامج التعريفات الجمركية، كما أن هناك بعض الدول تفرض تفويض حكومي لإنتاج مولدات الطاقة حتى لو ازدادت تكلفة الشراء، من الناحية الأخرى هناك بعض الدول تضع ميزانية تشمل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والطاقة الحرارية والنفايات الصلبة وغيرها معاً.

تباع الطاقة الشمسية بالواط، وكل 1 واط منها يولد 1- 2 كيلو واط ساعي من الكهرباء، هذا ما يتوافق مع إنتاج 10- 20% من الكهرباء، مما قد يحقق معادلة انخفاض تكلفة إنتاج الطاقة الشمسية عن الطاقة الكهربائية، خصوصاً في المناطق التي ترتفع فيها درجة الحرارة ويزداد عدد الأيام المشمسة خلال العام وترتفع فيها تكاليف إنتاج الكهرباء أيضاً مثل كاليفورنيا واليابان.

تختلف كمية الإشعاع الشمسي التي تحصل عليها كل دولة، حيث يعتمد ذلك على خطوط العرض والمناخ، ومدى قرب كل منطقة من خط الاستواء، إذ أن المناطق الأقرب لخط الاستواء تتلقى ساعات أطول من أشعة الشمس أكثر من المناطق التي تمتد بعيداً نحو الشمال والجنوب.

هل تستخدم طاقة الشمس مباشرة؟ أم يتم تخزينها قبل أن تنفذ؟

تعتمد الكثير من البلدان المنتجة للطاقة الشمسية على استخدامها مباشرة نظراً لارتفاع تكاليف التخزين، حيث أن التخزين مكلف أكثر من الإنتاج، إلا أن الطاقة الشمسية وكذلك طاقة الريح طاقات متغيرة، لذا يتم أخذ الإجراءات المناسبة إما لاستخدامها مباشرة عبر نقلها من خلال أنابيب، أو تخزينها واستخدامها لاحقاً، خصوصاً أن الطاقة الشمسية غير متوفرة في الليل.

للقيام بعملية التخزين تستخدم محطات إنتاج الطاقة الشمسية خزانات تحتوي على الأملاح المنصهرة ذات الحرارة العالية لتخزين الطاقة الشمسية الحرارية، حيث أن هذه الأملاح وسيلة فعالة في التخزين لانخفاض تكلفتها، بالإضافة إلى قدرتها على توفير الحرارة.

كما يتم استخدام البطاريات القابلة للشحن تلقائياً لتخزين الكهرباء الزائدة من أنظمة الطاقة الكهروضوئية، أو إرسال الطاقة الزائدة مباشرة للاستخدام عند الحاجة، وتستخدم هذه البطاريات بكثرة في ساعات الليل التي تنقطع فيها أشعة الشمس.

ومن أكثر البطاريات استخداماً في هذا المجال هي بطاريات الرصاص الحمضية، بطاريات النيكل والكادميوم، بطاريات الليثيوم، والأكثر استخداماً من بينها هي بطاريات الرصاص رغم أنها أقصر عمراً، ومن الممكن أن تستبدل بطاريات الرصاص بالليثيوم بسبب انخفاض أسعارها.

هناك استخدامات عدة للطاقة الشمسية بعيداً عن طاقة الكهرباء

هناك تقنيات أخرى تستخدم فيها الطاقة الشمسية، فعلى سبيل المثال، قد تستخدم نوافذ كبيرة ذات مواد ماصة لأشعة الشمس توضع على الجانب المشمس من المباني، فتقوم هذه النوافذ بامتصاص الحرارة على الأرض والجدران وتخفيف الحرارة، أو تخزن الحرارة من ناتج الألواح الموضوعة على الأسطح لتستخدم ليلاً لإبقاء المباني دافئة، بالمثل، يمكن لهذه الألواح تسخين المياه في الأنابيب التي تزود المنازل بالماء الساخن.

الطاقة الشمسية كوقود لا ينضب

يثنى على الطاقة الشمسية كمصدر للوقود بأنها مصدر لا ينضب، وطاقة نظيفة لا تسبب التلوث غالباً ما تكون خالية من الضوضاء، وكما ذكرنا سابقاً تولد الخلايا الشمسية الطاقة لأماكن بعيدة عن الأرض مثل الأقمار الصناعية، بالإضافة إلى الاستخدام الحديث للطاقة الشمسية في السيارات كبديل للوقود.

ومن العوائق التي تعاني منها هذه التكنولوجيا هي انعدام الأشعة وحالات الطقس الغائم، كذلك لا يمكن إنتاجها في الليل، كما أنها مكلفة بعض الشيء وتحتاج إلى مساحات واسعة لتكفي حاجة الناس، لكن مع التطور الحاصل في التكنولوجيا انخفضت هذه التكلفة وأصبحت بعض الدول مثل: اليابان وألمانيا والولايات المتحدة الأميركية أسواقاً رئيسية لهذه الطاقة.

في النهاية.. الطاقة الشمسية مصدر مستدام لاستهلاك الطاقة، فهي طاقة متجددة مرتبطة بعمر الشمس الذي لا ينفذ لبلايين السنين؛ فهي مصدر ثمين للطاقة، لا يعاب عليها إلا أنها لا تستخدم في ساعات الليل وتحتاج الكثير من الصيانة.


الطاقة الشمسية طرق إنتاج الطاقة الشمسية استخدامات الطاقة الشمسية أهمية الطاقة الشمسية