تعريف الطاقة الشمسية
تعرف الطاقة الشمسية بأنها الطاقة الناتجة عن تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء باستخدام الخلايا الشمسية الكهروضوئية ، وهي من أهم مصادر الطاقة المتجددة والأسرع نموا بينها ؛ فهي تعد بمستقبل واعد في توفير الطاقة لأغراض مختلفة. يتلقى كل مكان على الأرض كمية معينة من ضوء الشمس خلال العام ، ولكن كمية الإشعاع الشمسي التي تتلقاها بقعة واحدة تختلف من مكان لآخر على سطح الأرض ، وتسمى هذه الكمية بالإشعاع الشمسي ، والتي تعرف أيضا بالإشعاع الكهروضوئي ؛ تنبعث من الشمس على شكل ضوء تلتقطه تقنيات الطاقة الشمسية وتحويلها إلى أشكال مفيدة من الطاقة.
مجالات استخدام الطاقة الشمسية
أنظمة الطاقة الكهروضوئية
تعد أنظمة الطاقة الكهروضوئية من أكثر الطرق شيوعا لاستخدام الطاقة الشمسية ، وتعرف أيضا باسم أنظمة الخلايا الشمسية ، فهي تنتج الكهرباء مباشرة من ضوء الشمس ، عندما تتعرض الألواح الشمسية لأشعة الشمس ، تمتص هذه الخلايا الطاقة من ضوء الشمس ، وهذه الطاقة تولد شحنات كهربائية تتحرك استجابة لحقل كهربائي داخلي في الخلايا ، مما يؤدي إلى تدفق الكهرباء. يتكون هذا النظام من خلايا شمسية مصنوعة من مواد أشباه الموصلات ، وعندما تتعرض هذه المواد لأشعة الشمس ، تحفز الطاقة الشمسية الإلكترونات الموجودة في ذرات هذه المواد على الابتعاد عن النوى ؛ مما يجعلها تتحرك عبر مادة أشباه الموصلات ، وبالتالي توليد الكهرباء التي يمكن استخدامها مباشرة أو تخزينها في البطاريات. تسمى عملية تحويل ضوء الشمس (الفوتونات) إلى كهرباء (فولتية) بعملية التأثير الكهروضوئي.
أنظمة الطاقة الشمسية المركزة
تعتمد أنظمة الطاقة الشمسية المركزة على استخدام المرايا والعدسات لتركيز كمية كبيرة من ضوء الشمس على مساحة صغيرة ، ثم تحويل الطاقة الشمسية إلى حرارة. يتكون نظام الطاقة الشمسية المركزة من 3 وحدات رئيسية ، وهي كما يلي:
- المجال الشمسي: يعمل هذا المجال على تحويل الطاقة الشمسية الى طاقة حرارية.
- خزان الحرارة: إنه يعمل على تخزين الطاقة الحرارية باستخدام الملح المنصهر كوسيلة لتخزين الطاقة للحرارة.
- وحدة إنتاج الطاقة: يتم توليد الطاقة الكهربائية في هذه الوحدة عن طريق التوربينات البخارية التي تعمل على البخار الناتج عن الطاقة الشمسية.
أنظمة الطاقة الشمسية للتسخين
تستخدم تقنيات أنظمة الطاقة الشمسية للتسخين الطاقة الحرارية للشمس لتوفير الماء الساخن والتدفئة للمنشآت السكنية والتجارية والصناعية. تعمل هذه الانظمة على توفير او الحد من استخدام الكهرباء أو الغاز الطبيعي. تتكون هذه الأنظمة من ثلاثة عناصر رئيسية ، وهي: المجمع الرئيسي والأنابيب المعزولة وخزان الماء الساخن. قد تتضمن هذه الأنظمة أدوات إضافية ، مثل وحدات التحكم الإلكترونية ، ونظام حماية من الصقيع عند الحاجة ، خاصة في المناطق ذات المناخ البارد. توفر هذه الأنظمة حرارة داخلية كافية بطريقتين تاليتين:
- طريقة التدفئة الشمسية النشطة: فإنه يوفر الحرارة اللازمة عن طريق تدوير الماء أو الغاز الساخن باستخدام مضخة أو مروحة.
- طريقة التسخين الشمسي السلبي: تسمح لك هذه الطريقة بنقل الحرارة داخل المباني بشكل طبيعي دون استخدام الطاقة الخارجية.
فوائد الطاقة الشمسية
فوائد الطاقة الشمسية على الفرد
يتميز استخدام الطاقة الشمسية على المستوى الفردي بالعديد من المزايا ، بما في ذلك ما يلي:
- مصدر للطاقة المتجددة: تعد الطاقة الشمسية من مصادر الطاقة المتجددة ؛ فهي متوفرة كل يوم في أجزاء مختلفة من العالم ، ولا تنفد الطاقة الشمسية ، على عكس بعض مصادر الطاقة الأخرى ، ويمكن للشخص استخدام الطاقة الشمسية لمدة لا تقل عن 5 مليارات سنة ، أي حتى انتهاء الحياة المتبقية من الشمس ، وفقا للعلماء.
- وسيلة لتقليل فواتير الطاقة: يمكن لأي شخص استبدال مصادر الطاقة التي يستخدمها بالطاقة الشمسية المولدة من النظام الشمسي الذي يستخدمه ، وبالتالي فإن مقدار التوفير في فواتير الكهرباء سيعتمد على كمية الكهرباء والتدفئة المستهلكة ، بالإضافة إلى حجم النظام الشمسي الحالي ، كلما كان أكبر ، كلما قلت الحاجة إلى استخدام مصادر الطاقة الأخرى ، وكلما انخفض سعر الفواتير الناتجة.
- تطبيقات متنوعة: تستخدم الطاقة الشمسية في العديد من التطبيقات بالإضافة إلى توليد الكهرباء والحرارة ؛ يمكن استخدامه أيضا لتقطير المياه في المناطق التي تندر فيها المياه النظيفة ، وكذلك عند تشغيل الأقمار الصناعية في الفضاء.
- انخفاض تكاليف الصيانة: أنظمة الطاقة الشمسية هي أنظمة لا تحتاج إلى الكثير من الصيانة ، ويكفي تنظيفها عدة مرات في السنة من قبل نفس الشخص أو شركات التنظيف المتخصصة.
فوائد الطاقة الشمسية على البيئة
إن استخدام الطاقة الشمسية له فوائد عديدة على البيئة ، منها ما يلي:
- حفظ المياه.
- تقليل تلوث الهواء.
- إبطاء تغير المناخ.
- تقليل أثر انبعاث الكربون.
- الاعتماد على تقليل استخدام الوقود العضوي التقليدي.
معيقات استخدام الطاقة الشمسية
هناك الكثير من الأسباب للتحول إلى استخدام مصادر الطاقة المتجددة كبديل للمصادر الاخرى ، ولكن هناك بعض العقبات التي تمنع العالم من الاعتماد عليها بشكل أساسي ، ومن بينها ما يلي:
- تكلفة الإنشاء الأولية: تعتمد تكلفة تركيب نظام الطاقة الشمسية على الموقع وعدد الألواح المطلوبة ومتطلبات التركيب ورسوم العمالة وما إلى ذلك.، وهذه التكلفة مرتفعة ؛ لذلك لا تستطيع بعض العائلات تحملها دون اللجوء إلى القروض.
- الاستخدام الليلي: تحتاج أنظمة الطاقة الشمسية إلى الشمس ، لذلك لا تستطيع هذه الأنظمة توليد الكهرباء ليلا ، ويتعين على الشخص الاعتماد على مصادر طاقة أخرى ، والجدير بالذكر أن بعض أنظمة الألواح الشمسية تحتوي على بطاريات احتياطية ، ولكنها اختيارية ولا يتم تزويدها بجميع الأنظمة.
- الحاجة إلى مساحة: تحتاج الألواح الشمسية إلى مكان للتثبيت ، وكلما زاد مقدار الاستهلاك المطلوب ، زادت المساحة المطلوبة لتثبيت النظام الشمسي.
- الموقع: تختلف شدة الشمس وتوافرها من مكان لآخر، ففي بعض أجزاء العالم لا تظهر الشمس لعدة أيام في الشتاء ، مما يؤدي إلى مشكلة عدم القدرة على إمداد الكهرباء لمن يعتمدون على الطاقة الشمسية.