كيف تعمل الطاقة الشمسية، سؤال إجابته تعني سرد الكثير من التفاصيل، وهو ما سنقوم به في هذا المقال بشكل وافٍ لكن مبسطًا في نفس الوقت.
كمية ضوء الشمس التي تسقط على سطح الأرض في نحو ساعة ونصف تكفي لاستهلاك العالم بأكمله من الطاقة لمدة عام كامل، وتعمل تقنيات الطاقة الشمسية على تحويل ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية إما من خلال الألواح الكهروضوئية أو من خلال المرايا التي تركز الإشعاع الشمسي، ويمكن استخدام هذه الطاقة لتوليد الكهرباء أو تخزينها في البطاريات أو التخزين الحراري.
وتعد الطاقة الشمسية مصدرًا رئيسيًا للطاقة المتجددة، ولديها القدرة على مواجهة العديد من التحديات التي نواجهها كبشر، وتتزايد شعبية مصدر الطاقة هذا بسبب تنوعه وفوائده العديدة للأشخاص والبيئة، ويمكن أن تساعد الطاقة الشمسية في تقليل تكلفة الكهرباء، وخلق فرص عمل وتحفيز النمو الاقتصادي، وتوليد طاقة احتياطية.
كيف تعمل الطاقة الشمسية
قد أثبتت أنظمة الطاقة المتجددة المتصلة بالشبكة لكل من المناطق السكنية والصناعية فائدتها في تمكين الوصول إلى الكهرباء، ومع ذلك فقد أثبت دمج تخزين الطاقة في أنظمة الطاقة المتجددة المتصلة بالشبكة أنه أكثر فائدة ومن المشجع تمويل مثل هذه التقنيات في جميع الدول.
الإشعاع الشمسي بداية الطريق
كيف تعمل الطاقة الشمسية ، إجابة السؤال تبدأ بتعريف الإشعاع الشمسي، وهو الضوء المعروف أيضًا بالإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث من الشمس، ويأتي بعدة أشكال مختلفة، بما في ذلك الأشعة فوق البنفسجية، وأشعة الضوء المرئي، وموجات الأشعة تحت الحمراء، وأشكال أخرى من الطاقة.
العوامل المؤثرة في كمية الإشعاع: في حين أن كل موقع على الأرض يتلقى بعض ضوء الشمس على مدار عام، فإن كمية الإشعاع الشمسي التي تصل إلى أي نقطة على سطح الأرض تختلف، تلتقط تقنيات الطاقة الشمسية هذا الإشعاع وتحوله إلى أشكال مفيدة من الطاقة.
تؤثر هذه الطاقة على العمليات والظواهر الجوية والمناخية مثل عملية التمثيل الضوئي. علاوة على ذلك، فهي مسؤولة عن الحفاظ على درجة حرارة الكوكب متوافقة مع الحياة وتكوين الرياح، وهي مصدر طاقة يمكن قياسه، ويتم تجميعه بواسطة الخلايا الكهروضوئية، وتختلف هذه الطاقة تختلف بمرور الوقت حسب الظروف الجوية والمواقع وعوامل أخرى.
تضرب الشمس الأرض بزوايا مختلفة لأنها كروية، وتتراوح من 0 درجة فوق الأفق إلى 90 درجة فوق الأفق مباشرة، وتصبح أشعة الشمس متناثرة ومنتشرة عند دخولها الأرض لأن الأشعة تكون مائلة، وتنتقل في الغلاف الجوي لفترة أطول، ولكن عندما تكون أشعة الشمس عمودية، يحصل سطح الأرض على كل الطاقة، ولا تستقبل بعض المناطق القطبية الطاقة من الشمس بسبب ميل محور الدوران.
والعامل الأكثر أهمية الذي يحدد مقدار ضوء الشمس الذي يضرب الأرض هو ميل محور دوران الأرض بمقدار 23.5 درجة، وبالمثل، فإن دوران الأرض يؤثر أيضًا على التغير كل ساعة لكمية ضوء الشمس التي تصل إلى الأرض. وقت الذروة لدخول الطاقة الشمسية إلى الأرض هو عند الظهر كل يوم.
الأشعة تحت الحمراء: هذا النوع من الضوء له طول موجي أطول من الضوء المرئي، ويعكس أكثر من الأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي، ويوفر 49.4% من الطاقة الشمسية، ويمكن امتصاصه بسهولة بواسطة الماء وجزيئات ثاني أكسيد الكربون وتحويله إلى طاقة حرارية.
الأشعة المرئية: يشمل الإشعاع الشمسي المرئي أو الضوء المرئي الألوان الفاتحة المرئية للعين البشرية.
الأشعة فوق البنفسجية: الإشعاع الشمسي فوق البنفسجي أو الضوء فوق البنفسجي له أطوال موجية أقصر من الضوء المرئي، ولا تستطيع اختراق الغلاف الجوي بسهولة ولكنها تصل إلى سطح الأرض وهي مسؤولة عن تلف الجلد وإعاقة عملية التمثيل الضوئي في العديد من النباتات.
أساسيات الخلايا الكهروضوئية
كيف تعمل الطاقة الشمسية ، البداية هي الألواح الشمسية، فعندما تشرق الشمس على لوحة شمسية، تمتص الخلايا الكهروضوئية الموجودة في اللوحة الطاقة من ضوء الشمس. تولد هذه الطاقة شحنات كهربائية تتحرك استجابة لمجال كهربائي داخلي في الخلية، مما يؤدي إلى تدفق الكهرباء.
الألواح الشمسية: وتعرف الخلايا أو الألواح الكهروضوئية (الشمسية) اختصارًا بـ PV، وهي أجهزة بسيطة توفر لنا طريقة لتسخير طاقة الشمس، ويمكن للأجهزة (الخلايا الشمسية) تحويل الإشعاع الشمسي الساقط مباشرة إلى كهرباء، ولا تنتج أي ضجيج، أو تلوث، وهي قوية وموثوقة وطويلة الأمد.
عمل الخلايا الشمسية: المكون الأساسي للخلية الشمسية هو السيليكون، وهو مادة شبه موصلة في جوهرها، ويتم تطعيمه بشوائب معينة بشكل مناسب لاستخدام خلية شمسية كهروضوئية لالتقاط الطاقة من الشمس وتحويلها إلى كهرباء.
والمبدأ في عمل الخلايا الشمسية، هو أنه عندما يصل الفوتون ( الوحدة الأساسية للضوء، وهو كَمّات من الأشعة الكهرومغناطيسية متناهية الصغر) إلى شبه موصل، فإنه يطلق إلكترونًا مما يؤدي إلى تكوين موصلين، الإلكترون الحر وفجوة الإلكترون، عندما يتعرض الوصل PN للضوء، يتم امتصاص الفوتونات ذات الطاقة الأكبر من فجوة نطاق خلايا السيليكون، مما يتسبب في ظهور أزواج ثقب الإلكترون. ويتم فصل هذه الحاملات تحت تأثير المجالات الكهربائية داخل الوصلة، مما يؤدي إلى توليد تيار يتناسب مع حدوث الإشعاع الشمسي.
الوحدة الكهروضوئية: تقوم مجموعة من الخلايا الشمسية بتحويل الطاقة الشمسية إلى كمية قابلة للاستخدام من كهرباء التيار المباشر (DC)، ويتم توصيل الخلايا الشمسية على التوالي مما يزيد من جهد الخرج، وتشكل الخلايا المتصلة المتسلسلة ما يسمى بوحدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية.
وتتكون الوحدة الكهروضوئية من عدد من الخلايا الشمسية المترابطة،عادة 60 أو 72 خلية متصلة في سلسلة مغلفة في وحدة واحدة مستقرة وطويلة الأمد، ويتم التغليف لحماية الخلايا الشمسية من الأضرار الميكانيكية ولكي تستمر الوحدة في العمل في بيئة قاسية.
توازن النظام (BOS): يشير توازن نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية (BOS) إلى المكونات والمعدات التي تحول طاقة التيار المستمر التي تنتجها الألواح الشمسية إلى كهرباء تيار متردد قابلة للاستخدام، من خلال نظام التحويل. BOS هو ترتيب لعدة مكونات، مثل:
- الألواح الشمسية لامتصاص وتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء
- مُحوِّل (انفرتر) لتحويل التيار الكهربائي من DC إلى AC
- حل بطارية متكامل للتخزين إذا لزم الأمر
- التركيب والكابلات والمفاتيح والمرفقات والصمامات وكاشفات الأعطال الأرضية وغيرها من الملحقات الكهربائية لإعداد نظام العمل.
أساسيات الطاقة الحرارية الشمسية المركزة (CSP)
كيف تعمل الطاقة الشمسية في ظل أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية المركزة (CSP) ، الإجابة باستخدام مرايا لعكس ضوء الشمس وتركيزه على أجهزة الاستقبال التي تجمع الطاقة الشمسية وتحولها إلى حرارة، والتي يمكن بعد ذلك استخدامها لإنتاج الكهرباء أو تخزينها لاستخدامها لاحقًا، ويتم استخدامها بشكل أساسي في محطات الطاقة الكبيرة جدًا.
كيف تعمل الطاقة المركزة: تستخدم جميع تقنيات الطاقة الشمسية المركزة (CSP) مرآة لتركيز طاقة ضوء الشمس على جهاز استقبال وتحويلها إلى حرارة، ويمكن بعد ذلك استخدام الحرارة لإنتاج البخار لتشغيل التوربينات لإنتاج الطاقة الكهربائية أو استخدامها كحرارة للعمليات الصناعية.
القدرة التخزينية: تعمل محطات الطاقة الشمسية المركزة على دمج أنظمة تخزين الطاقة الحرارية لتوليد الكهرباء خلال الفترات الملبدة بالغيوم أو بعد ساعات من غروب الشمس أو قبل شروق الشمس.
هذه القدرة على تخزين الطاقة الشمسية تجعل الطاقة الشمسية المركزة مصدرًا مرنًا وقابلاً للتوزيع للكهرباء المتجددة، مثل محطات الطاقة الحرارية الأخرى، ولكن بدون الوقود الأحفوري، حيث تستخدم الطاقة الشمسية المركزة حرارة ضوء الشمس عالي التركيز.
المحطات الهجينة: يمكن أيضًا تهجين أنظمة الطاقة الشمسية المركزة مع محطات توليد الطاقة ذات الدورة المركبة، مما يؤدي إلى إنشاء محطات طاقة توفر طاقة عالية القيمة وقابلة للتوزيع، ويمكن لمحطات الطاقة الشمسية المركزة أيضًا استخدام الوقود الأحفوري لتكملة إنتاج الطاقة الشمسية خلال فترات انخفاض الإشعاع الشمسي.
أنواع تقنيات الطاقة الشمسية المركزة: هناك أربعة أنواع، أولها استخدامًا هو الطاقة الشمسية المركزة من خلال القطع المكافئ وأسرعها نموًا، وهي الطاقة الشمسية المركزة في البرج المركزي نظرًا لتحمله درجات الحرارة المرتفعة.
أنظمة الحوض المكافئ: يتم تركيز طاقة الشمس بواسطة عاكسات منحنية على شكل حوض مكافئ على أنبوب استقبال يمتد على طول حوالي متر فوق السطح المنحني للمرايا، ويتم زيادة درجة حرارة مائع نقل الحرارة المتدفق عبر الأنبوب، والذي عادة ما يكون زيتًا حراريًا، من 293 درجة مئوية إلى 393 درجة مئوية، ثم يتم استخدام الطاقة الحرارية لتوليد الكهرباء في مولد البخار التقليدي.
حقل المجمع: يشتمل حقل المجمع على عدة مرايا على شكل حوض مكافئ في صفوف متوازية محاذاة لتمكين مرايا على شكل حوض أحادي المحور من تتبع الشمس من الشرق إلى الغرب خلال النهار لضمان تركيز الشمس باستمرار على أنابيب الاستقبال.
أنظمة برج الطاقة: تستخدم أنظمة برج الطاقة أو أجهزة الاستقبال المركزية مرايا لتتبع الشمس تسمى الهيليوستات لتركيز ضوء الشمس على جهاز الاستقبال الموجود أعلى البرج. يتم استخدام سائل نقل الحرارة الذي يتم تسخينه في جهاز الاستقبال حتى حوالي 600 درجة مئوية لتوليد البخار، والذي بدوره يستخدم في مولد توربيني تقليدي لإنتاج الكهرباء.
أنظمة فريسنل الخطية Fresnel CSP: على غرار المصفوفات الطويلة لنظام الطاقة الشمسية المركزة ذو الحوض المكافئ، يتكون حقل المجمع الخطي من العديد من المجمعات في صفوف متوازية، وعادة ما تتم محاذاتها في اتجاه الشمال والجنوب لتعظيم جمع الطاقة السنوية والصيفية.
يتم وضع المرايا بشكل مسطح على الأرض وتعكس ضوء الشمس إلى الأنبوب الموجود بالأعلى. مثل الحوض والبرج للطاقة الشمسية المركزة، يمكن أيضًا لـ Fresnel CSP دمج التخزين في كتلة الطاقة أو توليد البخار للاستخدام المباشر. قاعدة بيانات نشر فريسنل.
أنظمة الأطباق المكافئة: يتكون نظام الطبق المكافئ من مركز على شكل قطع مكافئ (طبق) يعكس الإشعاع الشمسي على جهاز الاستقبال في نقطة التركيز.
يتم تركيب هذه المكثفات على هيكل مزود بنظام تتبع ثنائي المحور لتتبع الشمس، عادةً ما يتم استخدام الحرارة المجمعة مباشرة بواسطة محرك حراري مثبت على جهاز الاستقبال ويتحرك مع هيكل الطبق.
أساسيات تكامل أنظمة الطاقة الشمسية
كيف تعمل الطاقة الشمسية باالتكامل مع أنواع الطاقة الأخرى، لا تنتهي تكنولوجيا الطاقة الشمسية عند توليد الكهرباء عن طريق الأنظمة الكهروضوئية أو الطاقة الشمسية المركزة، ويجب دمج أنظمة الطاقة الشمسية هذه في المنازل والشركات والشبكات الكهربائية القائمة بمزيج مختلف من مصادر الطاقة التقليدية وغيرها من مصادر الطاقة المتجددة.
سبب التكامل: على الرغم من أن أنظمة الطاقة المتجددة لا تتطلب أي اتصال بشبكة الكهرباء لتوليد الطاقة، إلا أن عددًا من الناس يفضل استخدام الاتصال بالشبكة، ولذا يتم تعديل شبكات الطاقة التقليدية لدمج مصادر الطاقة المتجددة، وتحسين كفاءة الطاقة، وتزويد المستهلكين بقدر أكبر من التحكم في استهلاكهم .
يمكّن النظام المتصل بالشبكة مستهلكي الطاقة من تزويد المنازل أو الشركات الصغيرة بالطاقة المتجددة يوميًا وموسميًا، وتتم تغذية أي طاقة زائدة يتم توليدها مرة أخرى إلى الشبكة وعندما تكون الموارد المتجددة قليلة، سيتم توفير الكهرباء من الشبكة تلبية الاحتياجات الكهربائية.
القياس الصافي: هي ممارسة يتم فيها إعادة تغذية الكهرباء الزائدة التي تنتجها أنظمة الطاقة المتجددة المرتبطة بالشبكة إلى عداد كهرباء الشبكة، إذا استخدم المستهلك كمية من الكهرباء أكبر مما يغذي النظام الشبكة في شهر معين ، يتم الدفع لمزود الخدمة مقابل الفرق.
بطاريات تخزين: لجعل الأمور أفضل، يعمل نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية صغير الحجم مع بطاريات تخزين في تصميمه، جنبًا إلى جنب مع شركة الطاقة المحلية التي يمكنها توفير طاقة نظيفة متصلة بالشبكة مع نظام تخزين طاقة البطارية، وتلبي البطارية المتطلبات القصيرة مدة ذروة الطلب دون السحب من الشبكة ودفع الرسوم الإضافية لمقدمي الخدمة.
وهناك بطاريات ذات تخزين قصير الأجل لبضع ساعات أو أيام لتغطية فترات انقطاع الطقس، وتخزين طويل الأجل لعدة أسابيع للتعويض عن التغيرات الموسمية في الإشعاع الشمسي بين أشهر الصيف والشتاء.
