بحث في الطاقة الشمسية
إشعاعات الشمس القادرة على إنتاج الحرارة، أو إحداث التفاعلات الكيميائية، أو توليد طاقة الكهرباء. إن الكمية الإجمالية للطاقة الشمسية الساقطة على الأرض تزيد بشكل كبير عن متطلبات الطاقة الحالية والمتوقعة في العالم. وإذا يتم تسخيره بشكل مناسب، فإن هذا المصدر المتوفر بغزارة لديه القدرة على تلبية جميع احتياجات الطاقة المستقبلية. بل من المتوقع أن تصبح الطاقة الشمسية في القرن الحادي والعشرين جذابة بشكل متزايد كمصدر من مصادر الطاقة المتجددة وتكنولوجيا تخضع الي البحث و التطوير بسبب إمداداتها التي لا تنضب وطابعها غير الملوث، في تناقض صارخ مع الوقود الأحفوري المحدود مثل الفحم والنفط والغاز الطبيعي.
الشمس أحد مصادر الطاقة القوية للغاية للطاقة، كما أن ضوء الشمس هو أكبر مصدر للطاقة تتلقاها الأرض على الإطلاق، ولكن كثافتها على سطح الأرض منخفضة جدًا في الواقع. ويرجع ذلك أساسًا إلى الانتشار الشعاعي الهائل للإشعاع من الشمس البعيدة. وترجع الخسارة الإضافية الطفيفة نسبيًا إلى الغلاف الجوي للأرض ، التي تمتص أو تبعثر ما يصل إلى 54% من ضوء الشمس الوارد. يتكون ضوء الشمس الذي يصل إلى الأرض من حوالي 50% من الضوء المرئي، و45% من الأشعة تحت الحمراء، وكميات أقل من الأشعة فوق البنفسجية وغيرها من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي.
إمكانات الطاقة الكهروضوئية للأرض
تعتبر إمكانات أشعة الطاقة الشمسية solar energy هائلة، حيث تستقبل الأرض حوالي 200 ألف ضعف إجمالي قدرة توليد الكهرباء اليومية في العالم على شكل طاقة شمسية. من المؤسف أنه برغم أن الطاقة الشمسية ذاتها مجانية، إلي إن تكلفة جمعها وتحويلها وتخزينها لا تزال مرتفعة ,و تحد عوائق كثيره من استغلالها في العديد من الأماكن. ويمكن تحويل الإشعاع الشمسي إما إلى طاقة حرارية (حرارة) أو إلى طاقة كهربائية يتم استخدامها، على الرغم من أن تحقيق الأول أسهل.
الخلايا الكهروضوئية الشمسية (غالبًا ما يتم اختصارها كـ PV) تحصل على اسمها من طريق عملية تحويل الضوء (الفوتونات) إلى كهرباء (الجهد)، وهو ما يسمى التأثير الكهروضوئي. تم استغلال هذه الظاهرة لأول مرة في عام 1954 من قبل العلماء في مختبرات بيل، حيث قاموا بإنشاء خلية شمسية عاملة مصنوعة من السيليكون والتي تولد تيارًا كهربائيًا عند تعرضها لأشعة الشمس. وسرعان ما تم استخدام الخلايا الشمسية لتغذية أنظمة الأقمار الصناعية الفضائية بالطاقة والأشياء الأصغر مثل الآلات الحاسبة والساعات. اليوم، أصبحت الكهرباء المولدة من الخلايا الشمسية تنافسية من حيث التكلفة في العديد من المناطق و تستخدم تقنيات الأنظمة الكهروضوئية على نطاق واسع للمساعدة في تشغيل الشبكة الكهربائية.
خلايا السيليكون الشمسية
الغالبية العظمى من الخلايا الشمسية اليوم مصنوعة من السيليكون وتقدم أسعارًا معقولة وكفاءة جيدة (المعدل الذي تحول به الخلية الشمسية ضوء الشمس إلى كهرباء). يتم عادةً تجميع هذه الخلايا في وحدات أكبر يمكن تركيبها على أسطح المباني السكنية أو التجارية أو نشرها على هياكل مثبتة على الأرض لإنشاء أنظمة ضخمة على نطاق الشبكة الكهربائية.
الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة
هناك تقنية أخرى شائعة الاستخدام للخلايا الكهروضوئية تُعرف بالخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة لأنها مصنوعة من طبقات رقيقة جدًا من مواد شبه موصلة، مثل تيلوريد الكادميوم أو ثنائي سيلينيد جاليوم الإنديوم النحاسي. ويبلغ سمك طبقات الخلايا هذه بضعة ميكرومترات فقط، أي عدة أجزاء من المليون من المتر.
يمكن أن تكون الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة مرنة وخفيفة الوزن، مما يجعلها مثالية للتطبيقات المحمولة – مثل حقيبة ظهر الجندي – أو للاستخدام في منتجات أخرى مثل النوافذ التي تولد الكهرباء من الشمس (مثل مشروع بنك أبو ظبي الوطني في مصر). تستفيد بعض أنواع الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة أيضًا من تقنيات التصنيع التي تتطلب طاقة أقل ويسهل توسيع نطاقها مقارنة بتقنيات التصنيع التي تتطلبها الخلايا الشمسية السيليكونية.
الخلايا الشمسية III-V
النوع الثالث من التكنولوجيا الكهروضوئية سمي على اسم العناصر التي تتكون منها. يتم تصنيع الخلايا الشمسية من الثالث إلى الخامس بشكل أساسي من عناصر المجموعة الثالثة – مثل الغاليوم والإنديوم – والمجموعة الخامسة – مثل الزرنيخ والأنتيمون – من الجدول الدوري. عادةً ما يكون تصنيع هذه الخلايا الشمسية أكثر تكلفة بكثير من التقنيات الأخرى. لكنهم يحولون ضوء الشمس إلى كهرباء بكفاءات أعلى بكثير. ولهذا السبب، تُستخدم هذه الخلايا الشمسية غالبًا في الأقمار الصناعية والمركبات الجوية بدون طيار وغيرها من التطبيقات التي تتطلب نسبة عالية من الطاقة إلى الوزن.
الجيل القادم من الخلايا الشمسية
يتابع باحثو الخلايا الشمسية في معاهد أبحاث وأماكن أخرى العديد من التقنيات الكهروضوئية الجديدة، مثل الخلايا الشمسية المصنوعة من مواد عضوية، والنقاط الكمومية، والمواد العضوية غير العضوية الهجينة (المعروفة أيضًا باسم البيروفسكايت). قد توفر تقنيات الجيل التالي هذه تكاليف أقل، أو سهولة أكبر في التصنيع، أو فوائد أخرى. سوف نرى ما إذا كان يمكن تحقيق هذه الوعود.
أبحاث الموثوقية وتكامل الشبكة
إن أبحاث الخلايا الكهروضوئية هي أكثر من مجرد صنع خلية شمسية عالية الكفاءة ومنخفضة التكلفة. يجب أن يكون أصحاب المنازل والشركات واثقين من أن الألواح الشمسية التي يقومون بتركيبها لن يتدهور أدائها وستستمر في توليد الكهرباء بشكل موثوق لسنوات عديدة. تريد المرافق والجهات التنظيمية الحكومية معرفة كيفية إضافة أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية إلى الشبكة الكهربائية دون زعزعة استقرار التوازن الدقيق بين العرض والطلب على الكهرباء.
يعمل علماء المواد والمحللون الاقتصاديون والمهندسون الكهربائيون وغيرهم على معالجة هذه المخاوف والتأكد من أن الخلايا الكهروضوئية الشمسية هي مصدر نظيف وموثوق للطاقة.
التصميم الشمسي السلبي
يستخدم المبنى الشمسي السلبي النوافذ المواجهة للجنوب لتجميع الحرارة من الشمس وتخزينها في المواد في جميع أنحاء المبنى المعروفة باسم الكتلة الحرارية.
يجب أن يتضمن التصميم الناجح العناصر التالية:
الفتحة – منطقة زجاجية كبيرة يدخل من خلالها ضوء الشمس إلى المبنى، ويجب أن تواجه نطاق 30 درجة من الجنوب الحقيقي ويجب ألا تكون مظللة بين الساعة 9 صباحًا و3 مساءً. خلال موسم التدفئة.
الكتلة الحرارية – عادة الخرسانة والطوب والحجر والبلاط. تمتص هذه المواد الحرارة من ضوء الشمس خلال موسم التدفئة، كما تمتص الحرارة من الهواء الداخلي الدافئ خلال موسم التبريد.
التوزيع – طريقة يتم من خلالها نقل الحرارة الشمسية من مكان تجميعها وتخزينها إلى مناطق مختلفة من المنزل عن طريق التوصيل والحمل الحراري والإشعاع.
التحكم – أجهزة مثل السقف المتدلي المستخدمة لتظليل منطقة الفتحة خلال أشهر الصيف.
التدفئة الشمسية السلبية
تلتقط أنظمة التدفئة الشمسية السلبية ضوء الشمس داخل مواد المبنى ثم تطلق تلك الحرارة خلال الفترات التي تغيب فيها الشمس، مثل الليل. يعد الزجاج المواجه للجنوب والكتلة الحرارية لامتصاص الحرارة وتخزينها وتوزيعها أمرًا ضروريًا في التصميم.
التبريد الشمسي السلبي
تستخدم أنظمة التبريد الشمسية السلبية التظليل والكتلة الحرارية والتهوية الطبيعية لتقليل حرارة النهار غير المرغوب فيها وتخزين هواء الليل البارد في درجات حرارة معتدلة.
تسخين المياه بالطاقة الشمسية
تسخين المياه بالطاقة الشمسية يحول ضوء الشمس إلى وسيلة فعالة من حيث التكلفة لتوليد مياه ساخنة للمباني السكنية.
تقوم أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية النظيفة بجمع الطاقة الحرارية من الشمس واستخدامها لتسخين المياه في المنازل والشركات. يمكن تركيب الأنظمة في أي مناخ لتقليل فواتير الخدمات وتتكون من ثلاثة أجزاء رئيسية: مجمع الطاقة الشمسية، والأنابيب المعزولة، وخزان تخزين الماء الساخن.
تشتمل كل من أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية وأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية على ألواح تجميع، إلا أنهما تعمل بتقنيات مختلفة. تستخدم أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية إشعاع الشمس لتسخين المياه، في حين تنتج الأنظمة الكهروضوئية الكهرباء والطاقة.
يمكن لأنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية إما أن تعتمد على المضخات الكهربائية لتدوير المياه (نشطة) أو تعتمد على الديناميكا الحرارية (سلبية). تعد أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية النشطة أكثر شيوعًا في الاستخدام السكني والتجاري. عادة ما تكون أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية السلبية أقل تكلفة، ولكنها أيضًا أقل كفاءة.
أنظمة المركزات الحرارية للطاقة الشمسية
تعمل أنظمة الطاقة الشمسية المركزة على تسخير الحرارة الناتجة عن ضوء الشمس لتوفير الكهرباء لمحطات توليد الطاقة الكهربائية الكبيرة.
تستخدم العديد من محطات الطاقة اليوم الوقود الأحفوري كمصدر للحرارة لغلي الماء. يقوم البخار الناتج من الماء المغلي بتدوير توربين كبير، مما يؤدي إلى تشغيل مولد لإنتاج الكهرباء. ومع ذلك، يستخدم جيل جديد من محطات الطاقة أنظمة الطاقة الشمسية المركزة والشمس كمصدر للحرارة. الأنواع الثلاثة الرئيسية لأنظمة الطاقة الشمسية المركزة هي: المكثف الخطي، الطبق/المحرك، وأنظمة برج الطاقة.
أنظمة المركزات الشمسية الخطية
تجمع أنظمة المكثفات الخطية طاقة الشمس باستخدام مرايا طويلة مستطيلة الشكل ومنحنية (على شكل حرف U). تميل المرايا نحو الشمس، وتركز ضوء الشمس على الأنابيب (أو أجهزة الاستقبال) التي تمتد على طول المرايا. يقوم ضوء الشمس المنعكس بتسخين السائل المتدفق عبر الأنابيب. ثم يتم استخدام السائل الساخن لغلي الماء في مولد توربين بخاري تقليدي لإنتاج الكهرباء.
هناك نوعان رئيسيان من أنظمة التركيز الخطية: أنظمة الحوض المكافئ، حيث يتم وضع أنابيب الاستقبال على طول الخط البؤري لكل مرآة مكافئة؛ وأنظمة عاكسات فريسنل الخطية، حيث يتم وضع أنبوب استقبال واحد فوق عدة مرايا للسماح للمرايا بقدر أكبر من الحركة في تتبع الشمس.
أنظمة الطبق الشمسي
يستخدم نظام الطبق/المحرك طبقًا معكوسًا مشابهًا لطبق القمر الصناعي الكبير جدًا، على الرغم من أنه لتقليل التكاليف، يتكون الطبق المعكوس عادةً من العديد من المرايا المسطحة الأصغر حجمًا التي يتم تشكيلها على شكل طبق. يقوم السطح على شكل طبق بتوجيه ضوء الشمس وتركيزه على جهاز استقبال حراري، والذي يمتص الحرارة ويجمعها وينقلها إلى مولد المحرك.
النوع الأكثر شيوعًا من المحركات الحرارية المستخدمة اليوم في أنظمة الأطباق/المحركات هو محرك ستيرلينغ. يستخدم هذا النظام السائل الذي يسخنه جهاز الاستقبال لتحريك المكابس وإنشاء قوة ميكانيكية. يتم بعد ذلك استخدام الطاقة الميكانيكية لتشغيل مولد أو مولد كهربائي لإنتاج الكهرباء.
أنظمة برج الطاقة الشمسي
يستخدم نظام برج الطاقة مجالًا كبيرًا من المرايا المسطحة لتتبع الشمس المعروفة باسم المروحيات لتركيز ضوء الشمس وتركيزه على جهاز استقبال أعلى البرج. يتم استخدام سائل نقل الحرارة الذي يتم تسخينه في جهاز الاستقبال لتوليد البخار، والذي بدوره يستخدم في مولد توربيني تقليدي لإنتاج الكهرباء.
تستخدم بعض أبراج الطاقة الماء/البخار الصادر كسائل نقل الحرارة. وتقوم تصميمات متقدمة أخرى بتجربة الملح النترات المنصهر بسبب قدراته الفائقة على نقل الحرارة وتخزين الطاقة. تسمح إمكانية تخزين الطاقة، أو التخزين الحراري، للنظام بمواصلة إرسال الكهرباء أثناء الطقس الغائم أو في الليل.
تخزين الطاقة
يشبه تخزين الطاقة وجود حاوية خاصة حيث يمكننا الاحتفاظ بالطاقة الإضافية لوقت لاحق. إنه مثل امتلاك بطارية يمكنها توفير الكهرباء عندما لا نحتاج إليها، ومن ثم يمكننا استخدام تلك الطاقة المخزنة عندما نحتاج إليها.
أثناء الليل، لا نستطيع الحصول على الطاقة الشمسية لأن الشمس غير مشرقة. لذا، من المهم أن يكون لدينا طريقة لتخزين الطاقة حتى نتمكن من استخدامها طوال الوقت. إحدى الطرق للقيام بذلك هي استخدام أنظمة الكتل الحرارية. يمكن لهذه الأنظمة تخزين طاقة الشمس على شكل حرارة، والتي يمكننا استخدامها للقيام بأشياء مثل تدفئة منازلنا. يستخدمون مواد مثل الماء والأوساخ والحجارة لتخزين الحرارة. وباستخدام هذه الأنظمة، يمكننا توفير الطاقة واستخدامها عندما نكون في أمس الحاجة إليها. هناك أيضًا مواد خاصة مثل الشمع والملح يمكنها تخزين الحرارة واستخدامها في أشياء مثل تسخين المياه. هذه المواد رخيصة الثمن وسهلة الاستخدام.
إنتاج الوقود بالطاقة الشمسية
يمكن استخدام الطاقة الشمسية لتحفيز التفاعلات الكيميائية، مما يعوض استخدام مصادر الوقود الأحفوري لإنتاج وقود قابل للتخزين والنقل. يمكن أن تكون هذه التقنيات كيميائية حرارية أو كيميائية ضوئية ويمكن أن تنتج مجموعة متنوعة من أنواع الوقود.
تم استكشاف العمليات الكيميائية الحرارية واستخدام الخلايا الكهروضوئية لإنتاج الهيدروجين، والذي يمكن استخدامه كوقود. ويمكن تحقيق ذلك عن طريق استخدام المكثفات لتقسيم الماء إلى أكسجين وهيدروجين عند درجات حرارة عالية، أو استخدام الحرارة الناتجة عن المكثفات الشمسية لدفع إعادة تشكيل البخار، أو ببساطة استخدام الكهرباء النظيفة من الطاقة الشمسية لتقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين. يمكنك معرفة المزيد عن إنتاج الهيدروجين والفوائد البيئية هنا.
عند إجراء بحث مبسط في مجال توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية والحرارة بتحويل أهم شكل من الطاقة متوفر في البيئة ومن مصادر نظيفة بديلة للوقود الأحفوري في تاريخ البشرية تأتي الطاقة الشمسية في مقدمة أنواع اﻟﻄﺎﻗﺔ المختلفة من إيجابيات تتيح للبيئة الصمود ضدد المخلفات المنبعثة من الوقود الأحفوري المعادي للبيئة و الإنسان بل الي كوكب الأرض.
