تسخير الطاقة الشمسية هو شيء تفعله البشرية منذ قرون. من الساعات الشمسية القديمة التي ساعدت الناس على تتبع الوقت إلى التقنيات الكهروضوئية الحديثة.
تعد الطاقة الشمسية أحد مصادر الطاقة المتجددة بأسعار معقولة الآن أكثر من أي وقت مضى وتستخدم لإنتاج الكهرباء لمجموعة متنوعة من الاستخدامات السكنية والتجارية. ستكون الكهرباء المنتجة من ضوء الشمس جزءًا أساسيًا من رحلتنا نحو الطاقة المستدامة في المستقبل .
يعد استخدام الطاقة الشمسية لتوليد الكهرباء في المنزل خيارًا جذابًا للغاية لعدد من الأسباب: لن يقتصر الأمر على تقليل بصمتك البيئية الإجمالية وانبعاثات غازات الاحتباس الحراري، ولكنك ستقلل فواتيرك وقد تولد بعض الدخل عن طريق البيع مرة أخرى الطاقة الزائدة في الشبكة.
لذلك، من غير المنطقي أن يتم تحديد هدف في الاتحاد الأوروبي لتشجيع دول الاتحاد الأوروبي على طرح مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية من أجل تحقيق الهدف الشامل بنسبة 32 في المائة على الأقل بحلول عام 2030.
كيف يمكن استخدام الطاقة الشمسية لإنتاج الكهرباء؟
لقد طور الإبداع البشري طريقتين مختلفتين لكيفية حصاد طاقة الشمس وتحويلها إلى كهرباء:
أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية وأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية
يولد النظام الحراري الشمسي الكهرباء بشكل غير مباشر عن طريق التقاط حرارة الشمس لإنتاج البخار الذي يدير توربينات تنتج الكهرباء.
ينتج نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية الكهرباء مباشرة من ضوء الشمس من خلال سلسلة من التفاعلات الفيزيائية والكيميائية المعروفة باسم التأثير الكهروضوئي .
دعونا نفحص كل من هذه الأنظمة بمزيد من التفصيل.
كيف تولد الطاقة الشمسية الحرارية الكهرباء؟
قد تكون على دراية بالتكنولوجيا الحرارية الشمسية من سلسلة من الصور التي تم نشرها على نطاق واسع والتي ظهرت لأول مرة في الصحافة في عام 2013، والتي تضم مرفق إيفانبا للطاقة الشمسية في صحراء موهافي، كاليفورنيا. في ذلك الوقت، كانت أكبر محطة للطاقة الشمسية في العالم. هناك مجموعة مكونة من 170000 من الهليوستات، والتي تبدو وكأنها مرايا كبيرة، تتعقب حركة الشمس عبر السماء لتزويد أكثر من 140000 أسرة [1] .
المرايا هي أحد المكونات الرئيسية للنظام الحراري الشمسي. إنها تعكس ضوء الشمس على جهاز استقبال يحتوي على سائل ناقل للحرارة، يتم تسخينه بواسطة الشمس. غالبًا ما يكون السائل المستخدم لهذا الغرض هو الملح المصهور، وهو خليط من 60 بالمائة نترات الصوديوم و 40 بالمائة نترات البوتاسيوم.
يتمتع الملح المصهور بقدرة كبيرة على تخزين ونقل الحرارة [2] . يسمح هذا بتخزين الحرارة المتولدة من الشمس لفترات زمنية دون ضوء الشمس.
على سبيل المثال، يمكن لمحطة توليد الكهرباء Gemasolar في إسبانيا تخزين حرارة كافية لإنتاج الكهرباء لمدة 15 ساعة إضافية بدون مدخلات شمسية [3] .
ما تبقى من عملية توليد الكهرباء هو نفسه إلى حد كبير كما هو الحال في محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم. تولد الحرارة المنقولة عن طريق الملح المصهور بخارًا يدير توربينات بخارية، والتي تشغل مولدًا ينتج الكهرباء.
كيف تولد الألواح الشمسية الكهروضوئية الكهرباء؟
يتم تحويل طاقة ضوء الشمس المُجمَّع مباشرة إلى كهرباء بفضل التأثير الكهروضوئي . باختصار، يحدث هذا التأثير عندما تمتص الفوتونات (جزيئات كهرومغناطيسية صغيرة) من الضوء بواسطة مادة معينة، والتي بدورها تطلق الإلكترونات من الذرات. بعد ذلك، تتوفر الإلكترونات المحررة للقيام بالأعمال الكهربائية، مثل تشغيل مصباح كهربائي.
على الرغم من أننا لا نستطيع رؤية التأثير الكهروضوئي بأعيننا، يمكننا أن ننظر عن كثب إلى الألواح الشمسية حيث تحدث هذه العملية.
ما هي الألواح الشمسية الكهروضوئية؟
أصبحت الألواح الشمسية مشهدا مألوفا للكثير منا. بخلاف الألواح الكلاسيكية ذات اللون الأزرق الداكن، عمل العلماء أيضًا في السنوات الماضية على بدائل متنوعة مثل إنتاج المزيد من الألواح ذات اللون الأخضر المبهج من الناحية الجمالية أو الألواح الحيوية التي تعمل بالبكتيريا الزرقاء . ولكن بغض النظر عن شكلها، تعمل الألواح الشمسية كأجهزة لالتقاط طاقة الضوء.
تتكون إحدى الألواح الشمسية من عدة وحدات أصغر تسمى الخلايا الكهروضوئية. داخل هذه الخلايا، يحدث التأثير الكهروضوئي. في المتوسط ، تنتج خلية واحدة حوالي 0.5 فولت. يتم توصيل العديد من الخلايا معًا في سلسلة لزيادة إنتاجها.
تتكون الخلايا الشمسية من مادة شبه موصلة، مثل السيليكون، موضوعة بين مادتين موصلة لإنشاء مجال كهربائي. تحتوي الخلايا المتوفرة تجارياً على الفوسفور لتوفير الشحنة الكهربائية السالبة والبورون للشحنة الموجبة.
يقوم المجال الكهربائي بدفع الإلكترونات التي تضربها الفوتونات خارج طبقة السيليكون إلى صفائح معدنية على جانبي الخلايا، حيث يتم نقلها في شكل تيار مباشر.
أحد أكبر عيوب الأنظمة الكهروضوئية هو معدل تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء، ويشار إليه بخلاف ذلك بالكفاءة. في معظم عمليات التثبيت، يظل هذا الرقم بين 15 و 18 بالمائة. هذا يعني أن أكثر من 80 بالمائة من ضوء الشمس الساقط على الألواح الشمسية لا يتحول إلى طاقة.
أين تذهب الكهرباء بعد ذلك؟
عندما يتم التقاط الطاقة الشمسية وتجميعها بواسطة الخلايا الشمسية، يتم تحويلها إلى تيار مباشر. يتدفق التيار إلى العاكس، وهو جهاز يحول التيار المباشر إلى تيار متردد، والذي يستخدم لتشغيل أجهزتنا الإلكترونية [5] .
لأي كهرباء إضافية مولدة بالطاقة الشمسية لا يتم استخدامها على الفور، هناك خياران أساسيان وخيار هجين واحد لاستخدامها. هؤلاء هم:
-
- أنظمة على الشبكة
تغذي الأنظمة المتصلة بالشبكة الكهرباء مرة أخرى في الشبكة الكهربائية. عادةً ما تمنح شركات الكهرباء العملاء أرصدة مقابل أي كهرباء إضافية يتم تغذيتها مرة أخرى في الشبكة من الألواح الشمسية الخاصة بهم. يمكنك استخدام هذه الاعتمادات لسحب الكهرباء من الشبكة في الأيام التي لا تنتج فيها مجموعة الطاقة الشمسية أي شيء. أحد عيوب هذا النوع من النظام الشمسي هو أنه عندما تكون الشبكة معطلة، قد لا يتم استخدام النظام.
-
- أنظمة خارج الشبكة
الأنظمة خارج الشبكة هي أنظمة شمسية قائمة بذاتها تعتمد على البطاريات لتخزين الطاقة الشمسية لاستخدامها أثناء الليل وفي أوقات أخرى عندما تكون هناك حاجة إلى مزيد من الكهرباء أكثر مما يولده النظام الشمسي.
-
- أنظمة الطاقة الشمسية المتصلة بالشبكة مع بطارية احتياطية
تعمل الأنظمة الشمسية المتصلة بالشبكة المزودة ببطارية احتياطية على تغذية الكهرباء المولدة بالطاقة الشمسية إلى الشبكة عندما تعمل الشبكة، ولكن في حالة انقطاع الشبكة، ستتحول هذه الأنظمة إلى وضع خارج الشبكة. في هذا الوضع خارج الشبكة، تُستخدم البطارية الاحتياطية لتزويد الطاقة الشمسية المخزنة، وتقوم الألواح الشمسية بشحن البطارية.
كيف يمكنك توليد الكهرباء الشمسية في المنزل؟
إذا كنت تبحث عن خيارات لجعل منزلك أكثر صداقة للبيئة وتوفير بعض المال، فمن المحتمل أن تكون الطاقة الشمسية أحد أكثر خيارات الطاقة المتجددة جاذبية . في الواقع، أصبحت الطاقة الشمسية أرخص وسيلة لتوليد الكهرباء ، وفقًا لمحللي Bloomberg New Energy Finance .
انخفضت تكلفة الطاقة الشمسية إلى حوالي ثلث المستويات في عام 2010، حتى بين بعض أفقر البلدان [7] . الألواح الشمسية مضغوطة نسبيًا ويمكن وضعها على أسطح المنازل أو الشرفات أو أماكن مختلفة في الممتلكات الخاصة بك.
هل يمكنك توليد الكهرباء الشمسية في المنزل؟ الجواب البسيط هو نعم، يمكنك ذلك. في الواقع، هناك مصطلح لتوليد الطاقة في المنزل: يطلق عليه التوليد الصغير ويشير إلى التوليد المستقل للحرارة المنخفضة الكربون و / أو الكهرباء وهو أمر ممكن للمنزل العادي [8] .
كيفية القيام بذلك هو سؤال مباشر إلى حد ما: عن طريق تثبيت مجموعة من الخلايا الكهروضوئية. بعد قولي هذا، في حين أن الخروج من الشبكة تمامًا قد يكون صعبًا بالنسبة للعديد من مالكي المنازل، فإن توليد جزء من احتياجات المنزل الكهربائية أمر ممكن بالتأكيد باستخدام الطاقة الشمسية.
سيتم تحديد المدى الذي يكون فيه توليد الطاقة الشمسية خيارًا جذابًا لمنزلك إلى حد كبير من خلال العوامل التالية:
-
- توافر المورد الرئيسي – الشمس
- مساحة لحجم النظام الشمسي الذي تحتاجه لتشغيل احتياجات الطاقة في منزلك
- مستوى التكلفة والاستثمار
- التصاريح المحلية المطلوبة
هذه اعتبارات مهمة ستحتاج إلى أخذها في الاعتبار والنظر فيها قبل التخطيط للاستثمار في نظام الطاقة الشمسية.
ما مقدار الطاقة التي تنتجها الألواح الشمسية؟
من حيث كمية الطاقة التي ستتمكن من توليدها، يعتمد هذا إلى حد كبير على توفر الشمس. تستخدم الألواح الكهروضوئية الشمسية طاقة الشمس لتوليد الكهرباء لتشغيل الأجهزة والإضاءة.
هذا لا يعني أنه يجب أن يكون مشمسًا طوال الوقت لتوليد الطاقة، حيث تعتمد التكنولوجيا ببساطة على ضوء النهار.
كيف تحصل على أفضل ناتج للطاقة من الألواح الشمسية؟
تتكون الخلايا الشمسية، التي توضع عادة على السطح، من طبقات من مادة شبه موصلة تخلق مجالًا كهربائيًا، عندما تشرق الشمس عليها، مما يؤدي إلى تدفق الكهرباء. كلما كانت الشمس أقوى، زاد إنتاج الكهرباء.
لكن مقدار الطاقة التي ستولدها سيعتمد أيضًا على مكان وضع الألواح أو البلاط الشمسي. الأسقف هي خيار مفضل من قبل عدد من الأشخاص، ولكن لتحقيق أقصى قدر من الطاقة، يجب ألا يكون هناك ظل على الألواح، خاصة خلال ساعات ضوء الشمس الرئيسية من 9 صباحًا إلى 3 مساءً
إذا كنت قادرًا على تثبيت نظامك الشمسي لمواجهة الجنوب، فسيوفر ذلك إمكانات مثالية لتوليد الطاقة. هذا مهم للغاية لأنه حتى لو كانت خلية واحدة فقط من 36 خلية في الألواح الشمسية مظللة ، فسيتم تقليل إنتاج الطاقة. مع التكنولوجيا الحديثة اليوم، فإن الألواح الشمسية خفيفة ويمكن أن يحل البلاط الشمسي، على وجه الخصوص، محل بلاط السقف التقليدي.
ترتبط معظم الوحدات الكهروضوئية المركبة في المنازل بشبكة المرافق. يسمح ذلك بتغذية الطاقة المجمعة من خلال الطاقة الشمسية مباشرة في نظام توزيع الطاقة في المنزل أو المبنى. وبهذه الطريقة، يقلل نظام الطاقة الشمسية المركب من الطلب على الطاقة من المرافق عندما تقوم المصفوفة الشمسية بتوليد الكهرباء – وبالتالي خفض فاتورة المرافق. تُعرف هذه الأنواع من أنظمة الطاقة الشمسية أيضًا باسم “على الشبكة” أو “بدون بطارية” وتشكل ما يقرب من 98 بالمائة من أنظمة الطاقة الشمسية المثبتة اليوم.
يوضح هذان المفهومان أننا قادرون على تلبية طلبنا على الكهرباء من خلال حصاد الطاقة من الموارد المتجددة . تنشأ القيود الوحيدة من التكنولوجيا المتاحة في الوقت الحالي. هذه مشكلة يمكن معالجتها بمرور الوقت، خاصة إذا ركزنا اهتمامنا الكامل على إيجاد حلول للعقبات الحالية مثل انخفاض كفاءة الأنظمة الكهروضوئية السكنية.