مقدمة
لقد
حاول الإنسان منذ فترة بعيدة الاستفادة من الطاقة الشمسية واستغلالها ولكن
بقدر قليل ومحدود ومع التطور الكبير في التقنية والتقدم العلمي الذي وصل
إليه الإنسان فتحت آفاقا علمية جديدة في ميدان استغلال الطاقة الشمسية.
تسخر
الطاقة الشمسية حالياً في أنحاء متعددة من العالم ويمكنها أن تؤمن أضعاف
معدّل الاستهلاك الحالي للطاقة في العالم إذا ما تمّ استغلالها بشكل صحيح.
كما يمكن استخدام الطاقة الشمسية لانتاج الكهرباء مباشرة أو للتسخين أو
حتّى للتبريد.
لقد تم تصنيع نماذج كثيرة من الخلايا الشمسية تستطيع
إنتاج الكهرباء بصورة علمية وتتميز الخلايا الشمسية بأنها لا تشمل أجزاء
أو قطع متحركة، وهي لا تستهلك وقوداً ولا تلوث الجو وحياتها طويلة ولا
تتطلب إلا القليل من الصيانة.
التحويل الحراري للطاقة الشمسية يعتمد
على تحويل الإشعاع الشمسي إلى طاقة حرارية عن طريق المجمعات ( الأطباق )
الشمسية والمواد الحرارية.فإذا تعرض جسم داكن للون ومعزول إلى الإشعاع
الشمسي فإنه يمتص الإشعاع وترتفع درجة حرارته فيستفاد من هذه الحرارة في
التدفئة والتبريد وتسخين المياه وتوليد الكهرباء وغيرها. وتعد تطبيقات
السخانات الشمسية هي الأكثر انتشاراً في مجال التحويل الحراري للطاقة
الشمسية.
استخدام الطاقة الشمسية
استفاد الإنسان منذ القدم من طاقة
الإشعاع الشمسي مباشرة في تطبيقات عديدة كتجفيف المحاصيل الزراعية وتدفئة
المنازل كما استخدمها في مجالات أخرى وردت في كتب العلوم التاريخية فقد
أحرق أرخميدس الأسطول الحربي الرماني في حرب عام 212 ق م عن طريق تركيز
الإشعاع الشمسي على سفن الأعداء بواسطة المئات من الدروع المعدنية. وفي
العصر البابلي كانت نساء الكهنة يستعملن آية ذهبية مصقولة كالمرايا لتركيز
الإشعاع الشمسي للحصول على النار. كما قام علماء أمثال تشرنهوس وسويز
ولافوازييه وموتشوت وأريكسون وهاردنج وغيرهم باستخدام الطاقة الشمسية في
صهر المواد وطهي الطعام وتوليد بخار الماء وتقطير الماء وتسخين الهواء.
كما أنشئت في مطلع القرن الميلادي الحالي أول محطة عالمية للري بوساطة
الطاقة الشمسية كانت تعمل لمدة خمس ساعات في اليوم وذلك في المعادي قرب
القاهرة. لقد حاول الإنسان منذ فترة بعيدة الاستفادة من الطاقة الشمسية
واستغلالها ولكن بقدر قليل ومحدود ومع التطور الكبير في التقنية والتقدم
العلمي الذي وصل إليه الإنسان فتحت آفاقا علمية جديدة في ميدان استغلال
الطاقة الشمسية.
بالإضافة لما ذكر تمتاز الطاقة الشمسية بالمقارنة مع مصادر الطاقة الأخرى بما يلي:
إن التقنية المستعملة فيها تبقى بسيطة نسبياً وغير معقدة بالمقارنة مع التقنية المستخدمة في مصادر الطاقة الأخرى.
توفير
عامل الأمان البيئي حيث أن الطاقة الشمسية هي طاقة نظيفة لا تلوث الجو
وتترك فضلات مما يكسبها وضعاً خاصا في هذا المجال وخاصة في القرن القادم.
تحويل الطاقة الشمسية
يمكن
تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية وطاقة حرارية من خلال آليتي
التحويل الكهروضوئية والتحويل الحراري للطاقة الشمسية، ويقصد بالتحويل
الكهروضوئية تحويل الإشعاع الشمسي أو الضوئي مباشرة إلى طاقة كهربائية
بوساطة الخلايا الشمسية (الكهروضوئية)، وكما هو معلوم هناك بعض المواد
التي تقوم بعملية التحويل الكهروضوئية تدعى اشتباه الموصلات كالسيليكون
والجرمانيوم وغيرها. وقد تم اكتشاف هذه الظاهرة من قبل بعض علماء الفيزياء
في أواخر القرن التاسع عشر الميلادي حيث وجدوا أن الضوء يستطيع تحرير
الإلكترونات من بعض المعادن كما عرفوا أن الضوء الأزرق له قدرة أكبر من
الضوء الأصفر على تحرير الإلكترونات وهكذا. وقد نال العالم اينشتاين جائزة
نوبل في عام 1921م لاستطاعته تفسير هذه الظاهرة.
وقد تم تصنيع نماذج
كثيرة من الخلايا الشمسيةتستطيع إنتاج الكهرباء بصورة علمية وتتميز
الخلايا الشمسية بأنها لا تشمل أجزاء أو قطع متحركة، وهي لا تستهلك وقوداً
ولا تلوث الجو وحياتها طويلة ولا تتطلب إلا القليل من الصيانة. ويتحقق
أفضل استخدام لهذه التقنية تحت تطبيقات وحدة الإشعاع الشمسي ( وحدة شمسية
) أي بدون مركزات أو عدسات ضوئية ولذا يمكن تثبيتها على أسطح المباني
ليستفاد منه في إنتاج الكهرباء وتقدر عادة كفاءتها بحوالي 20% أما الباقي
فيمكن الاستفادة منه في توفير الحرارة للتدفئة وتسخين المياه. كما تستخدم
الخلايا الشمسية في تشغيل نظام الاتصالات المختلفة وفي إنارة الطرق
والمنشآت وفي ضخ المياه وغيرها. أما التحويل الحراري للطاقة الشمسية
فيعتمد على تحويل الإشعاع الشمسي إلى طاقة حرارية عن طريق المجمعات (
الأطباق ) الشمسية والمواد الحرارية.فإذا تعرض جسم داكن للون ومعزول عن
الإشعاع الشمسي فأنه يمتص الإشعاع وترتفع درجة حرارته. ويستفاد من هذه
الحرارة في التدفئة والتبريد وتسخين المياه وتوليد الكهرباء وغيرها.
وتعد
تطبيقات السخانات الشمسية هي الأكثر انتشاراً في مجال التحويل الحراري
للطاقة الشمسية. يلي ذلك من حيث الأهمية المجففات الشمسية التي يكثر
استخدامها في تجفيف بعض المحاصيل الزراعية مثل التمور وغيرها كذلك يمكن
الاستفادة من الطاقة الحرارية في طبخ الطعام، حيث أن هناك أبحاث تجري في
هذا المجال لإنتاج معدات للطهي تعمل داخل المنزل بدلا من تكبد مشقة الجلوس
تحت أشعة الشمس أثناء الطهي. ورغم أن الطاقة الشمسية قد أخذت تتبوأ مكان
هامة ضمن البدائل المتعلقة بالطاقة المتجددة ، إلا أن مدى الاستفادة منها
يرتبط بوجود أشعة الشمس طيلة وقت الاستخدام أسوة بالطاقة التقليدية. وعليه
يبدو أن المطلوب من تقنيات بعد تقنية وتطوير التحويل الكهربائي والحراري
للطاقة الشمسية هو تقنية تخزين تلك الطاقة للاستفادة منها أثناء فترة
احتجاب الإشعاع الشمسي. وهناك عدة طرق تقنية لتخزين الطاقة الشمسية تشمل
التخزين الحراري الكهربائي والميكانيكي والكيميائي والمغناطيسي.
وتعد
بحوث تخزين الطاقة الشمسية من أهم مجالات التطوير اللازمة في تطبيقات
الطاقة الشمسية وانتشارها على مدى واسع، حيث أن الطاقة الشمسية رغم أنها
متوفرة إلا إنها ليست في متناول اليد وليست مجانية بالمعني المفهوم.
فسعرها الحقيقي عبارة عن المعدات المستخدمة لتحويلها من طاقة
كهرومغناطيسية إلى طاقة كهربائية أو حرارية. وكذلك تخزينها إذا دعت
الضرورة. ورغم أن هذه التكاليف حالياً تفوق تكلفة إنتاج الطاقة التقليدية
إلا أنها لا تعطي صورة كافية عن مستقبلها بسبب أنها آخذة في الانخفاض
المتواصل بفضل البحوث الجارية والمستقبلية.
عندما يكون الخيار
الأمثل لمحطة البث أو التقوية هو موقع جبلي في منطقة معزولة, فليس هناك
بديل عن الطاقة الشمسية لتجنب تكاليف الصيانة والتشغيل.
مع انخفاض سعر الخلايا الشمسية و الارتفاع المستمر لأسعار الكهرباء و النفط, حان الوقت للتجديد و الاستقلالية في مصدر الكهرباء.
إذا
كان عدم توفر الكهرباء عائقا أمام أهدافك في إتمام مشروعك الزراعي, أو كون
المنطقة بعيدة عن مصدر الكهرباء, فإن الطاقة الشمسية هي خيارك الأول و
الأوفر.
لتجنب أسلاك الكهرباء و بشاعتها, و لتوفير تكلفة البنية
التحتية, و للمساهمة في بيئة نظيفة, من الأجدر بك استخدام نظم الطاقة
الشمسية لبساطتها و عدم خطورتها.
شكل يوضح نظم الطاقة الشمسية لتوليد الكهرباء
خلايا الشَّمْس تُكافِح التَّلوُّث
في
نوفمبر 1999م قام العلماء في "سبكترولاب" (إحدى وحدات مؤسسة هاجز
الالكترونية وقسم الطاقة بالمعمل القومي للطاقة المتجددة) بتسجيل زيادة
جديدة في القدرة التحويلية للخلايا الشمسية، حيث سجلوا تحويل 32.3% من
الطاقة الشمسية الداخلة إلى تيار كهربي، وتعتبر هذه النسبة ضعف القدرة
التحويلية القديمة للخلايا، ويعتقد العلماء أنه يمكنهم زيادة هذه النسبة
إلى 40%.
وبمضاعفة القدرة التحويلية للخلايا فإن حجم نظام تجميع
الأشعة الضوئية لتحويلها إلى تيار كهربي سيقل إلى النصف، مما يعني تخفيض
التكلفة الإجمالية للخلايا وزيادة قدرتها على المنافسة كمصدر للكهرباء
أكثر صحية، إذن فإن التحدي الحقيقي الآن هو إخراج هذه التكنولوجيا الحديثة
إلى الحَيِّز التطبيقي بصورة أوسع لإثبات صلاحيتها على المدى الواسع، ومع
زيادة الطلب على الخلايا الشمسية يتوقع انخفاض سعرها فتصبح في متناول كل
الأفراد، وبذلك نضمن انخفاض معدلات التلوث بشكل كبير في المستقبل.
الخلايا الشمسية
هي
أحد أشهر تطبيقات استخدام الطاقة الشمسية، ويرجع تاريخها إلى عام 1839م
عندما اكتشف الفرنسي "إدموند بكوريل" أن الضوء الواقع على قطب كهربي
مُنْغَمِس في محلول مُوَصِّل قد ينتج تيارًا كهربيًّا، وفي عام 1941م
اخترع الأمريكي "روسل أوهل" الخلية الشمسية المصنوعة من السليكون.
تصنع
الخلايا الكهروضوئية عادة من السليكون المعالج كيماويًّا ( السليكون هو
نفس مادة الرمل الموجودة على الشواطئ في جميع أنحاء العالم)، وهي تعمل على
تحويل ضوء الشمس مباشرة إلى طاقة كهربائية، فعندما يقع الضوء الشمسي على
الخلية الكهروضوئية يتحرر منها الكترون، وتُجْمَع الالكترونات المحررة في
أسلاك موصلة بالخلية فتنتج تيارًا كهربيًّاً. والخلايا الكهروضوئية هي
المصدر الأساسي للكهرباء في الأقمار الصناعية، ولكن تكلفتها العالية جعلت
من الصعب استخدامها كمصدر كهربائي على الأرض، وبالتالي كان يتم استخدامها
فقط في حالة عدم وجود أي بدائل أرخص. وقرار استخدام الخلايا الشمسية
بالنسبة لمعظم مستخدميها هو قرار بيئيّ، فَهُم يرون تجنب استخدام البدائل
الأخرى.