الطاقة الشمسية

الطاقة الشمسية

بقلم الأستاذة الدكتورة: شرين فؤاد عبد الحميد

معهد بحوث الهندسة الزراعية - مركز البحوث الزراعية - مصر

الشمس لها أهميتها في الحياة على الأرض، وهي مصدر للطاقة المتجددة التي تمثل مستقبل الطاقة للحضارة البشرية، فأشعة الشمس التي تصل إلى الأرض يمكن تحويلها إلى طاقة شمسية، فما استخدامات الطاقة الشمسية؟ وما هي مميزاتها؟ وكيف يمكن استخدامها في إنتاج الكهرباء؟ وما هي النظرية العلمية لعمل الخلية الشمسية؟ وما هي مكونات الخلية الشمسية؟ وما هي أنواع الخلايا الشمسية؟ وما هي المشاكل التي تواجه استعمال هذا النوع من الطاقة وكيف يمكن علاجها؟

طاقة الشمس

تعد الشمس أكبر مصدر للطاقة المتجددة على سطح الأرض، وتنشأ الطاقة الشمسية في الشمس من تفاعلات الاندماج النووي لأنوية ذرات الهيدروجين وتحولها إلى ذرات الهيليوم. ويصدر عن تلك التفاعلات طاقة عالية تنتشر في باطن الشمس ولا تستطيع النفوذ إلى الخارج إلا بعد زمن طويل. وتزداد خلالها الأطوال الموجية لهذه الأشعة حتى تصل إلى سطح الشمس، ومنها إلى سطح الأرض، وهذه الأشعة هي التي تصل إلينا على الأرض في صورة الأشعة الشمسية، والتي يكن استخدامها في إنتاج الكهرباء، عن طريق أنواع مختلفة من الخلايا الشمسية.

الشمس والأرض

هي مصدر الحياة على سطح الأرض، حيث أن الشمس أساس عملية البناء الضوئي في النبات، ومن النبات يأكل الإنسان والحيوان، وبحرارتها يتبخر الماء وتسقط الأمطار التي تروى النبات، ولولا وجود حرارة الشمس لتجمدت المياه في البحار والأنهار والمحيطات، وبضوئها أصبح هناك نهار يتميز عن الليل.

حقا إنها نعمة من النعم التي أنعم المولى تبارك وتعالى علينا بها. ولقد عرف الإنسان منذ القدم فضل الطاقة الشمس فاستطاع استغلال طاقتها في التجفيف وحفظ الأغذية وتم استخدامها في الطهي باستخدام الأفران الشمسية، والوقت الراهن يتم استخدامها كمصدر للطاقة المتجددة، لتحويل طاقتها إلى طاقة كهربية أو طاقة حرارية.

الأشعة الشمسية

الأشعة الشمسية أو ضوء الشمس هو عبارة عن مجموعة من الموجات الكهرومغناطيسية، يمكن للإنسان رؤية جزء منها، وهو ما يسمى بالضوء المرئي وبقيتة لا يري بالعين المجردة، وهو الضوء غير المرئي. وتتميز الأشعة المرئية من طيف الشمس بأنها تتكون من أشعة لونية من الأحمر إلى البنفسجي، وهي ألوان قوس قزح. وتختلف طاقة الأشعة الشمسية حسب طولها الموجي، فكلما زاد الطول الموجي للأشعة كلما انخفضت طاقتها، معنى ذلك أن الأشعة فوق البنفسجية طاقتها عالية نسبيا، ولذلك فهي ضارة لجلد الإنسان إذا تعرض إليها فترة طويلة. وتسقط أشعة الشمس على الأرض بعد مرورها خلال الغلاف الجوي للأرض الذي يحتوي على غازات مختلفة من نتروجين وأكسجين وثاني أكسيد الكربون وبخار الماء وغيرها، وكلها لها قدرات مختلفة على امتصاص جزء كبير من أشعة الشمس.

استخدامات الطاقة الشمسية

تستخدم الطاقة الشمسية في أغلب الأحيان، لتسخين الماء، وتسخين برك السباحة، والتدفئة، كما تستخدم في مجال السكن، والزراعة، وتقطير الماء، وتحلية المياه المالحة. وتستخدم أيضا لتوليد الكهرباء لاستخدامها مع الأجهزة التي تعتمد على طاقة منخفضة، مثل: الألعاب الإلكترونيّة، والساعات، والحاسبات الإلكترونية، كما تستخدم حالياً في بعض الدول، في تشغيل إشارات المرور الضوئية، وأجهزة الإنذار، ومراوح الأسقف، وهواتف الطوارئ، وضخ المياه.

مميزات الطاقة الشمسية

تعتبر الطاقة الشمسية شكلا من أشكال الطاقة المتجددة والنظيفة، لأنه لا يسفر عن تشغيلها نفايات ملوثة ولا ضوضاء ولا إشعاعات - كما يمكنها أن تولد كهرباء مستمرة ومباشرة (كما هو في البطاريات السائلة والجافة العادية)، كما يمكن استخدامها في المناطق النائية والريفية.

إنتاج الكهرباء باستخدام الطاقة الشمسية

يسقط على سطح الأرض طاقة شمسية تبلغ في المتوسط 1360 واط لكل متر مربع. ويمكن الاستفادة من تلك الطاقة بتوليد طاقة كهربائية بواسطة وسائل متعددة، منها الألواح الشمسية. ومنها ما يعمل عن طريق تسخين الماء وتحويله إلى بخار، ويقوم البخار بتدوير توربين المولد الكهربائي فيتولد عنه التيار الكهربائي. ومثال هذا النوع محطة ايفانباه للطاقة الشمسية بكاليفورنيا. نوع آخر يستخدم الطاقة الشمسية مباشرة في توليد التيار الكهربائي باستخدام الألواح الشمسية.

النظرية العلمية لعمل الخلية الشمسية

الخلية الشمسية عبارة عن رقاقة رفيعة من مادة السيلكون، تمتلك شحنة موجبة من إحدى جوانبها، وشحنة سالبة من الجانب الآخر، وعندما تتعرّض لضوء الشمس أو تسقط الفوتونات التي تحمل الطاقة على هذه الرقائق، فإنها تكسب الإلكترونات طاقة، تمكنها من الاهتزاز حراريًا، وبالتالي تكسر الروابط وتحرر الإلكترونات فتتولد الكهرباء، والتي يمكن استخدامها مباشرة أو تخزينها في مكثفات.

مكونات الخلية الشمسية

تتكون الخلية الشمسية من رقائق من مادة شبه موصلة؛ إحداها تحمل شحنة موجبة والأخرى تحمل شحنةً سالبةً، ويجب معالجة أشباه الموصلات كيميائيا قبل استخدامها. وعموماً فإن رقائق السيليكون المبلورة (أحادية أو متعددة) هي المادة الأساسية لبناء اللوح الشمسي.

أنواع الخلايا الشمسية

يوجد عدة أنواع منها خلايا السيلكون أحادي أو عديد التبلر. خلايا مورفية يترسب عليها طبقات من عنصر السيليكون على الألواح الشمسية. ومن أبرز تلك الأنواع خلايا السيليكون، خلايا المونوكريستال سيليكون، خلايا البوليكريستال، خلايا الألياف الضوئية الرقيقة وخلايا الأموروفوس سيليكون.

بعض المشاكل وكيفية علاجها

·       تتعرض الألواح الشمسيّة للغبار نتيجة تعرضها للجو الخارجي، لذلك يجب تنظيفها باستمرار، وذلك لأن الألواح تفقد 50% من طاقتها في حال عدم تنظيفها لمدة شهر.

·       لا يمكن الاستفادة من الطاقة الكهربائية المنتجة من الشمس خلال فترات الليل أو في الأجواء الغائمة والمغبرة؛ فالطاقة يتمّ تحويلها واستخدامها مباشرة بالألواح الشمسية، إلا انه يمكن التغلب على ذلك بتخزين الطاقة الشمسية في بطاريات وتستخدم هذه الطاقة المخزنة خلال الليل أو فترة غياب الشمس. وينبغي الإشارة إلى أن شراء أجهزة قد يكون مكلفاً، مما يتعارض مع مبدأ الحصول على الطاقة الشمس بالمجان، ولكن ومع التقدم العلمي فإن أسعار البطاريات هذه البطاريات آخذة في النقصان.

وبعد، كانت هذه نظرة شاملة على الطاقة الشمسية وأهميتها وأوجه الاستفادة منها خصوصا في إنتاج الكهرباء. التي تعد بديلا واعدًا ومتجددا للطاقة، خصوص في الوطن العربي، الذي تسطع فيه الشمس لفترت طويلة على مدار العام، مما سيمكن سكانه من الاعتماد على هذا المورد البديل والرخيص للطاقة في المستقبل القريب.

تصنيف: طاقة