إن الشمس هي مفتاح وجود الحياة على كوكب الأرض، حيث أنها كانت موجودة منذ مليارات السنين وتطلق طاقتها الشمسية باستمرار في اتجاهنا، وتستمر الشمس في تدفئة كوكبنا، ونحن بحاجة إلى إيجاد طرق أكثر فعالية لتسخير هذه الطاقة إلى أقصى إمكاناتها.
ما هي الطاقة الشمسية؟
هي عبارة عن شكل من أشكال الطاقة المتجددة، حيث يتم الحصول على الطاقة الشمسية من خلال الاستفادة من طاقة الشمس وتحويلها إلى كهرباء باستخدام تقنيات الطاقة الشمسية مثل الألواح الشمسية أو الطاقة المركزة، كما تصنف الطاقة الشمسية على أنها مصدر طاقة متجددة لأنها؛ أبدية على نطاق الزمن البشري، وأيضاً فإنه لا ينتج عنها أي انبعاثات ضارة، والأهم من ذلك أنها مجانية تماماً.
كيف تعمل الطاقة الشمسية؟
تحتوي أشعة الشمس على كميات هائلة من الطاقة، وبطبيعة الحال عندما تصطدم أشعة الشمس بجسم ما تتحول هذه الطاقة على الفور إلى حرارة، ومع ذلك عندما تصطدم أشعة الشمس ببعض المواد المصممة خصيصاً فإنها قد تتحول إلى تيار كهربائي يمكن استغلاله لتوليد الكهرباء، حيث تسمى هذه الأجهزة المصممة خصيصاً والقادرة على تحويل طاقة الشمس إلى كهرباء الألواح الشمسية أو الألواح الكهروضوئية.
تتكون الألواح الشمسية من عدة خلايا شمسية أو خلايا ضوئية، وهي مسؤولة بشكل رئيسي عن تحويل طاقة الشمس إلى كهرباء، والخلايا الكهروضوئية هي العملية التي يتم من خلالها تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء، حيث تأتي كل لوحة شمسية أو لوحة كهروضوئية مع عدد معين من خلايا السيليكون، كما تتفاعل هذه الخلايا مع بعض الفوتونات الموجودة في أشعة الشمس لتوليد تيار مباشر (DC).
ومن ثم يتم توجيه التيار المباشر إلى تيار معكوس، حيث يتم تحويله إلى تيار متردد (AC)، ويتم نقل التيار المتردد إلى شبكة توزيع المنازل أو المكاتب، وهو الآن قادر على تشغيل الأجهزة المنزلية أو المكتبية، وعندما تنتج كهرباء أكثر مما نحتاج يتم إعادة الفائض إلى شبكة الكهرباء الوطنية، والتي يمكن أن تكسبنا بعض المال.
ما هي طرق جمع الطاقة الشمسية؟
هناك عدد قليل من الطرق المستخدمة لتحويل طاقة الشمس إلى كهرباء، ولكن أكثرها شيوعاً هي الألواح الشمسية والأنظمة الحرارية الشمسية، دعونا نلقي نظرة على كلاهما بالتفصيل:
أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية
يتم تطبيق أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية بشكل أساسي على المباني السكنية، حيث توجد حاجة أكبر لخفض فواتير الطاقة الشهرية، ومع ذلك يمكن أيضاً استخدام هذه التقنية في المباني التجارية، والفكرة وراء هذه الأنظمة الحرارية الشمسية هي الاستفادة من طاقة الشمس وتحويلها إلى حرارة وتوجيهها إلى نظام تدفئة للمنازل أو الأعمال، ويمكن هنا تطبيق مجموعة متنوعة من الأساليب بما في ذلك الأنظمة النشطة والسلبية.
كمثال نموذجي للنظام النشط هو سخان الماء الشمسي، حيث تأتي سخانات المياه بالطاقة الشمسية في مجموعة كبيرة من التصميمات وتتضمن سخاناً مغموراً وخزاناً للتخزين، وعادة ما يكون هذا المجمع الشمسي أسود اللون لامتصاص الطاقة القصوى من الشمس، كما يحتوي المجمع على سائل نقل، وهو عادة مزيج من الماء والجليكول، والمعروف باسم مضاد التجمد، ويساعد هذا المزيج على منع تجمد الماء خلال فصل الشتاء.
وتتضمن الأنظمة السلبية تصميمات هندسية مبتكرة تتوج بمبنى يقوم تلقائياً بتخزين واستخدام الطاقة الشمسية، والمثال النموذجي للنظام السلبي المستخدم لتوليد الطاقة الشمسية هو الدفيئة، حيث تجمع الدفيئة الطاقة الشمسية في يوم مشمس وتستخدمها للحفاظ على دفء المنازل أثناء الليل.
الخلايا الشمسية الكهروضوئية أو الألواح الشمسية
تتضمن الخلايا الكهروضوئية التحويل المباشر لأشعة الشمس إلى كهرباء على المستوى الذري، حيث تُظهر مواد معينة خاصية تسمى التأثير الكهروضوئي الذي يدفعها لامتصاص الفوتونات الموجودة في أشعة الشمس وإصدار الإلكترونات، كما يتم التقاط هذه الإلكترونات الحرة فيما بعد، مما قد ينتج عنه تيار كهربائي يمكن استخدامه ككهرباء.
– والان كيف تعمل الخلايا الشمسية الكهروضوئية أو الألواح الشمسية؟
تتكون الخلايا الكهروضوئية أو الخلايا الشمسية عادةً من مادة شبه موصلة تعرف باسم السيليكون، حيث يبدأ كل شيء برقاقة رقيقة من أشباه الموصلات موجودة في الخلايا الشمسية، كما يتم معالجة رقاقة أشباه الموصلات بعناية لإنشاء مجال كهربائي (المجال الموجب في جانب والسالب في الجانب الآخر).
وعندما تصطدم أشعة الشمس بالخلية الشمسية تتعطل الإلكترونات من الذرات الموجودة في مادة أشباه الموصلات، وتتشكل الدائرة الكهربائية عندما يتم ربط الموصلات الكهربائية بالجانبين الموجب والسالب، مما يسمح بتسخير الإلكترونات كتيار كهربائي (كهرباء)، ويمكن استخدام هذه الكهرباء لتشغيل المنازل أو الشركات.
وعندما يتم ربط عدد معين من الخلايا الشمسية ببعضها البعض كهربائياً ويتم إعدادها على هيكل أو إطار داعم يُشار إليها باسم الوحدة الكهروضوئية، حيث تم تطوير الوحدات النمطية خصيصاً لتوفير الكهرباء بجهد محدد مسبقاً مثل نظام 12 فولت المشترك، كما تعتمد قوة الجهد الناتج على شدة أشعة الشمس التي تضرب سطح الخلية الشمسية.
