ما أنواع الطاقة الشمسية وما أبرز مميزاتها وعيوبها؟

تعتبر الطاقة الشمسية من أفضل مصادر الطاقة في العالم وأقلها تكلفة، نظراً إلى أنها متاحة بسهولة ومتجددة باستمرار. ومع ذلك، اعتباراً من عام 2018، كانت الكهرباء المنتجة على مستوى العالم من الطاقة الشمسية أقل من 2% فقط، وهذا يعود تاريخياً إلى أن حصاد الطاقة الشمسية كان مكلفاً وغير فعّال نسبياً. ولكن على مدار العقدين الماضيين تغيّرت المعادلة بشدة، حيث شكلت نسبة الطاقة المجمعة من طاقة الرياح والطاقة الشمسية لأول مرة أكثر من 10% من الكهرباء على مستوى العالم في عام 2021.

أدت التطورات التكنولوجية الجديدة على مدى السنوات العشرين الماضية إلى زيادة الاعتماد على الطاقة الشمسية، بعد أن ساهمت في زيادة كفاءة الألواح الشمسية، ما أدى بدوره إلى خفض التكاليف بشكل ملحوظ، بالإضافة إلى وجود عدد أكبر من المستهلكين المحتملين، ونمو الشركات العاملة في مجال تصنيع الخلايا الشمسية وتطوير تكنولوجياتها.

كيف يتم توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية؟

عادة ما تكون الألواح الشمسية مصنوعة من مادة السيليكون المركب في إطار لوحة معدنية مع غلاف زجاجي، وعندما تضرب الفوتونات (Photons) أو جسيمات الضوء القادمة من الشمس الطبقة الرقيقة من السيليكون أعلى اللوح الشمسي، تولد هذه الشحنة الكهروضوئية تياراً كهربائياً (على وجه التحديد، تياراً مباشراً أو تياراً مستمراً)، يتم التقاطه بواسطة الأسلاك الموجودة في الألواح الشمسية، ثم يتم تحويل هذه الكهرباء إلى تيار متردد (AC)، وهو نوع التيار الكهربائي المستخدم عند توصيل الأجهزة بمقبس الحائط العادي.

ما أنواع الطاقة الشمسية وكيف تعمل؟

تعد الطاقة الشمسية (Solar Energy) خياراً شائعاً لكثير من المستهلكين والشركات والمؤسسات التي تسعى إلى الحصول على طاقة صديقة للبيئة، بالإضافة إلى التوفير في فواتير الكهرباء، حيث توفّر الطاقة الشمسية طاقة كافية لتلبية احتياجات الاستهلاك السنوي في العالم كل 50 دقيقة. ولكن التحدي هو جمع حِصة (مهما كانت صغيرة) من هذه الحرارة والطاقة المشعة، وتحويلها إلى مصدر طاقة (كهرباء) لتشغيل الأجهزة الإلكترونية الصغيرة، والمنازل والمدن.

ولأجل هذه الاحتياجات المختلفة، فهناك أنواع مختلفة من الطاقة الشمسية تختلف وظائفها وفوائدها التشغيلية بحسب الغرض منها، بما في ذلك:

أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية

تعد أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية (Photovoltaic Solar Energy )، وتُعرف أيضاً باسم أنظمة الخلايا الشمسية (Solar Cell Systems)، أحد أكثر أنواع أنظمة الطاقة الشمسية استخداماً، وهي عبارة عن نظام يولّد الكهرباء مباشرة من ضوء الشمس، و تجدها مثبتة في أسطح المباني السكنية أو التجارية، أو يتم نشرها على رفوف مثبتة على الأرض، أو ما يعرف باسم مزارع توليد الطاقة الشمسية التي تمتد على آلاف الكيلومترات.

أنظمة الطاقة الشمسية المركزة

أنظمة الطاقة الشمسية المركزة (Concentrated Solar) هي عبارة عن نظام يتم تركيبه بشكل أساسي على نطاق واسع لتوفير الكهرباء للشبكة، من خلال تثبيت المرايا المنحنية أو المسطحة فوق مساحات أرضية شاسعة لتحويل ضوء الشمس إلى حرارة، ثم يتم توجيه هذه الطاقة الحرارية من خلال مولد يقوم بتحويل الحرارة الناتجة إلى طاقة ميكانيكية لتوليد الكهرباء.

وتنقسم محطات الطاقة الشمسية المركزة إلى قسمين: يتعلق الجزء الأول بجمع الطاقة الشمسية وتحويلها إلى حرارة، بينما يركز الجزء الثاني على تحويل الطاقة الحرارية إلى كهرباء، وهذا النوع من الأنظمة مناسب أكثر للمناطق التي يكون فيها ضوء الشمس متوفراً لأوقات طويلة وعلى مساحات واسعة، مثل بعض الدول التي لديها مساحات صحراوية شاسعة.

أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية

تستخدم الطاقة الشمسية الحرارية (Thermal Solar Energy)، وتعرف أيضاً باسم تسخين المياه بالطاقة الشمسية (Solar Water Heating)، طاقة الشمس لتسخين المياه، وبشكل أساسي، يشتمل التصميم على جزأين أساسيين، هما: خزان تخزين المياه ومجمع الطاقة الشمسية، التي تتكون من خلايا شمسية يتم تثبيتها على الأسطح المواجهة للشمس، ويتم توصيل المجمع وخزان التخزين عبر أنابيب صغيرة تحمل الماء، عندما يمتص مجمع الطاقة الشمسية حرارة الشمس، فإنه يسخن الماء الذي يمر عبر الأنابيب، ثم يتم تخزين هذا الماء الساخن في خزان التخزين.

ومقارنة بالطاقة الشمسية الكهروضوئية، فإن الطاقة الشمسية الحرارية أكثر كفاءة، حيث يمكن أن تصل كفاءة إنتاج الطاقة المتولدة بالطاقة الحرارية الشمسية إلى ما يصل حتى 70%،، بالإضافة إلى ذلك فإن التكنولوجيا أقل تعقيداً بكثير، ما يجعلها مثالية لتسخين المياه.

أنظمة الطاقة الشمسية السلبية

في كل منزل هناك مناطق معينة تتعرض لأشعة الشمس أكثر من المناطق الأخرى، لذا فإن دمج تكنولوجيا الطاقة الشمسية، مثل الجدران والأسقف والأرضيات التي تمتص حرارة الشمس يمكن أن يفي باحتياجات الطاقة في المنزل. ومن ثم تعد أنظمة التسخين الشمسي السلبي (Technical Passive Solar Heating) والمعروفة أيضاً باسم (ضوء النهار) مناسبة لتوليد الكهرباء لإضاءة منزل صغير.

حيث يعمل هذا النظام من خلال امتصاص هذه العناصر (الجدران والأسقف) الحرارة أثناء النهار، وعندما تغرب الشمس وتصبح البيئة أكثر برودة، فإنها تطلق الحرارة ببطء، ومن ثم فإن المبنى المصمم بذكاء مع التهوية الجيدة باستخدام تقنيات الطاقة الشمسية لن يواجه مشكلات التدفئة أبداً خلال المواسم الباردة، ومع ذلك تظهر الأبحاث أن دمج أنظمة التدفئة الشمسية السلبية في مبنى جديد يمكن أن يزيد التكلفة بنسبة تصل إلى 0-3%.

مميزات الطاقة الشمسية

توفّر الطاقة الشمسية مزايا كبيرة مقارنة بأنظمة الطاقة التقليدية المستخدمة الآن، حيث إن الطاقة التي توفرها الشمس للأرض لمدة ساعة يمكن أن تلبي احتياجات الطاقة العالمية لمدة عام كامل. فيما يلي أبرز مزايا الطاقة الشمسية:

مورد متجدد وغير محدود: تعتبر كمية الطاقة الشمسية المتاحة حالياً مذهلة، حيث تمثل ما يقرب من 10 آلاف ضعف ما يحتاجه البشر حالياً، ويتم استبدالها باستمرار، وتعتبر ثالث أكبر تكنولوجيا لتوليد الكهرباء المتجددة بعد الطاقة الكهرومائية وطاقة الرياح.
منخفضة الانبعاثات الكربونية: لا تسبب الألواح الشمسية أي تلوث. وعلى الرغم من أن لديها تكاليف بيئية أثناء التصنيع، فإن التأثير البيئي لا يكاد يُذكر، عند مقارنتها بالأضرار التي تحدثها مصادر الطاقة التقليدية، مثل الوقود الأحفوري الذي يطلق ما يقرب من 33 مليار طن متري من ثاني أوكسيد الكربون في الغلاف الجوي سنوياً.
مناسبة للمناطق النائية غير المتصلة بشبكات الطاقة: يمكن للطاقة الشمسية أن تحسّن بشكل كبير نوعية الحياة لملايين الأشخاص الذين يعيشون في الظلام، لا سيما في المناطق الريفية جنوب الصحراء الكبرى، حيث لا يزال يفتقر ما يصل إلى 660 مليون شخص من سكانها إلى الكهرباء.
تقليل التكاليف البيئية والصحية: يعتمد السكان في البلدان النامية واللاجئين في المخيمات عادةً على الإضاءة القائمة على الوقود، والتي تتسبب في تكاليف صحية وبيئية كبيرة، حيث يصبحون عرضة لخطر تلوث الهواء الداخلي، بالإضافة إلى انبعاثات ثاني أوكسيد الكربون الذي تصدره هذه المصادر، ما يجعلها الحل الأنظف والأكثر قابلية للتطبيق لمنع التدهور البيئي.
الحصول على الكهرباء بشكل دائم: يفضّل العديد من مالكي المنازل الطاقة الشمسية لأنها محصّنة فعلياً من الإخفاقات المحتملة لشركات إمداد الطاقة، خاصة عند حدوث اضطرابات سياسية أو اقتصادية، أو كوارث طبيعية أو انقطاع التيار الكهربائي بسبب الإفراط في الاستخدام.
توفير الفواتير على المدى الطويل: تعتبر الطاقة الشمسية اقتصادية، وعلى الرغم من أن تركيب الخلايا الشمسية يتطلب نفقات أولية عالية، فإنه سرعان ما يتم تعويض هذه التكلفة عن طريق التوفير في فواتير الطاقة مستقبلاً.

سلبيات استخدام الطاقة الشمسية

بفضل تطور تكنولوجيا تصنيع الخلايا الشمسية، بالإضافة إلى الأسعار التنافسية، وتطور أحجام البطاريات، أصبحت الطاقة الشمسية المصدر الرئيسي للطاقة في الكثير من دول العالم، ما حوّل الطاقة الشمسية إلى مصدر أكثر كفاءة للطاقة النظيفة، ومع ذلك، توجد عدة جوانب سلبية عند استخدام الطاقة الشمسية، منها:

التكلفة: تعتبر التكلفة الأولية لإنشاء نظام طاقة شمسية مرتفعة إلى حد ما، وهذا يشمل دفع تكاليف الألواح الشمسية، والبطاريات والأسلاك والتركيب، وكلما زاد عدد الألواح المراد تثبيتها، زاد معه التكلفة، ومع ذلك، مع تطور تكنولوجيات الطاقة الشمسية باستمرار، من المتوقع أن تنخفض التكاليف بشكل كبير في المستقبل.
اضطرابات الظروف الجوية: تعتمد الألواح الشمسية على ضوء الشمس لتجميع الطاقة الشمسية بشكل فعّال، لذلك، يمكن أن يكون لوجود غيوم أو أمطار تأثير ملحوظ على كمية الطاقة التي يمكن تجميعها.
ضرورة وجود مساحة: كلما زاد مقدار الكهرباء التي تريد إنتاجها، ستحتاج إلى المزيد من الألواح الشمسية، والتي بدورها تتطلب مساحة كبيرة سواء على سطح المنزل أو الفناء الخارجي.

أساليب تخزين الطاقة الشمسية

يمكن تقسيم كيفية تخزين الطاقة الشمسية إلى ثلاث فئات عامة، هي:

1- التخزين الكهروكيميائي (البطاريات)

تؤدي تغذية البطارية بالكهرباء إلى حدوث تفاعل كيميائي ويتم تخزين الطاقة، وعندما يتم تفريغها يتم عكس هذا التفاعل الكيميائي، ويتسبب في تدفق التيار الكهربائي لتشغيل الجهاز، وأكثر أساليب التخزين الكهروكيميائي شيوعاً هي خلايا بطارية الليثيوم أيون، بالإضافة إلى الخيارات الشائعة الأخرى، مثل، بطاريات الرصاص الحمضية والصوديوم والنيكل.

2- التخزين الحراري

في أنظمة تخزين الطاقة الشمسية الحرارية، يتم استخدام سائل مثل الماء أو الملح المصهور لتخزين الحرارة، ثم بعد ذلك يتم تخزينها في خزان معزول إلى أن تصبح هناك حاجة إليها، ويتم استخدامها عادةً في المجمعات الصناعية للتدفئة، أو التبريد أو توليد الطاقة.

3- التخزين الميكانيكي

تعمل طرق التخزين الميكانيكية على تحويل الطاقة الكهربائية الزائدة إلى طاقة ميكانيكية، والتي يتم تحويلها مرة أخرى إلى كهرباء لاستخدامها لاحقاً، وهناك ثلاثة أنظمة تخزين طاقة ميكانيكية، هي:

العجلة الطائرة Flywheel: تستخدم هذه الطريقة فائض الكهرباء لتدوير عجلة Flywheel، الأمر الذي يولد لاحقاً الكهرباء لتوفير طاقة سريعة خلال أوقات ذروة الطلب.
ضخ المياه Pumped Hydro: في هذه الطريقة يتم ضخ المياه صعوداً إلى خزان يقع فوق مولدات التوربينات، ثم يُسمح للمياه بالتدفق عبر التوربينات وتوليد الكهرباء عندما يكون الطلب مرتفعاً.
الهواء المضغوط Compressed Air: في هذا النظام يتم ضخ الهواء المضغوط في أوعية كبيرة، مثل الخزان أو التكوين تحت الأرض، ثم يتم إطلاق الهواء لتوليد الكهرباء خلال ذروة الطلب.