الثورة :
تعد الطاقة الشمسية من مصادر الطاقة المتجددة، وهي مصدر واعد لحل المشاكل التي تتعلق بأزمة الطاقة العالمية مستقبلًا ولا سيما مع التقدم التقني المستمر، فما هي هذه الطاقة؟
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، فالشمس 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.
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 حاجتنا لاستخدام الطاقة الشمسية ذاهبة إلى الازدياد.
آلية عمل 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، حيث تتحرك الإلكترونات من خلال المصباح من الجانب السالب للبطارية ثم تعود إلى الجانب الموجب للبطارية.
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 – ما يؤثر على تقليل كفاءة أداء المنظومة الشمسية بأكملها، إلا أن عاكسات المايكرو كالتي موجودة في نظام الطاقة الشمسية المنزلية، تقوم بتفادي هذه المشاكل.
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.
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.
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، وسهولة الوصول إليها، والكفاءة العالية مقارنة بمصادر الطاقة المتجددة الأخرى.
المهندس مأمون نظير البرادعي