كيف تعمل الطاقة الشمسية

قراءة في 3 دقيقة

الطاقة الشمسية تعني التقاط ضوء وحرارة الشمس وتحويلهما إلى كهرباء أو حرارة يمكننا استخدامها. هناك طريقتان رئيسيتان: الألواح الشمسية (الفوتوفولطية) ومحطات الطاقة الشمسية الحرارية [1].

الألواح الشمسية (الفوتوفولطية)

تتكون هذه الألواح من خلايا خاصة مصنوعة عادةً من السيليكون [2]. تتكون كل خلية شمسية من طبقتين من السيليكون تمت معالجتهما كيميائياً أو "تشويبهما" بمواد مختلفة: الطبقة العلوية مشوبة بالفوسفور وتخلق وفرة من الإلكترونات (النوع N)، بينما الطبقة السفلية مشوبة بالبور وتخلق نقصاً في الإلكترونات أو "فجوات" (النوع P) [3].

عندما تصطدم فوتونات ضوء الشمس بالخلية الشمسية، فإنها تفصل الإلكترونات عن روابطها الذرية وتخلق تياراً كهربائياً. يقوم المجال الكهربائي عند وصلة PN بإجبار هذه الإلكترونات الحرة على التدفق في اتجاه واحد، مما يؤدي إلى إنشاء تيار كهربائي مستمر [3]. تسمى هذه العملية "الأثر الفوتوفولطي"، والتي اكتشفها الفيزيائي الفرنسي ألكسندر إدموند بيكريل في عام ۱۸۳۹ [3].

تنتج الخلايا الشمسية الفردية عادةً من ۰.۵ إلى ۰.۶ فولت، لذا يتم توصيل عدة خلايا على التوالي في كل لوح للوصول إلى مستويات جهد قابلة للاستخدام، عادةً ما تكون من ۳۰ إلى ۴۰ فولت لكل لوح [3]. الكهرباء التي تنتجها الألواح هي تيار مستمر (DC)، ويجب تحويلها بواسطة جهاز يسمى "العاكس" (Inverter) إلى تيار متردد (AC) ليكون قابلاً للاستخدام في المنازل والأجهزة الكهربائية [3].

تقوم الخلايا الشمسية التجارية الحديثة عادةً بتحويل ۱۸ إلى ۲۲ بالمئة من ضوء الشمس الساقط إلى كهرباء، وقد وصلت النماذج المختبرية إلى كفاءة تزيد عن ۲۶ بالمئة [3].

محطات الطاقة الشمسية الحرارية

في هذه الطريقة، تُستخدم مرايا كبيرة لتركيز ضوء الشمس في نقطة واحدة. يؤدي هذا إلى تسخين سائل (مثل الزيت أو الملح المصهور) بدرجة كبيرة. يقوم هذا السائل الساخن بتحويل الماء إلى بخار، ويقوم البخار بدوره بتدوير التوربين لتوليد الكهرباء [1].

المزايا والقيود

الطاقة الشمسية نظيفة وخالية من التلوث، وتعتبر غير ناضبة (طالما كانت الشمس موجودة)، وتكلفة صيانتها منخفضة بعد التركيب [1]. ومع ذلك، يقل إنتاجها في الليالي أو الأيام الغائمة، وتتطلب بطاريات لتخزين الكهرباء، كما أن تركيبها الأولي مكلف [1].

مكونات نظام الكهرباء الشمسية

يتكون نظام الكهرباء الشمسية من مكونات كهربائية معقدة تعمل معاً لتوفير طاقة نظيفة وموثوقة. من اللحظة التي يصطدم فيها ضوء الشمس باللوح حتى وصول الكهرباء إلى الأجهزة المنزلية، تشارك العديد من المكونات والعمليات [3].

تلعب المكونات الكهربائية للتيار المستمر (DC) دوراً حيوياً في النظام. وعلى عكس التيار المتردد (AC) الذي يغير اتجاهه طبيعياً، يتدفق التيار المستمر باستمرار في اتجاه واحد ويخلق أقواساً كهربائية مستقرة يصعب قطعها. تعمل المنشآت الشمسية الحديثة غالباً بجهود تيار مستمر تزيد عن ۶۰۰ فولت، وتصل بعض الأنظمة واسعة النطاق إلى ۱۵۰۰ فولت أو أكثر [3].

تقوم العواكس الحديثة بعمل يتجاوز مجرد التحويل البسيط من DC إلى AC. فهي تستخدم خوارزميات تتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT) التي تضبط باستمرار الحمل الكهربائي على الألواح لاستخراج أقصى قدر متاح من الطاقة. يمكن لهذا التحسين الديناميكي أن يزيد من حصاد الطاقة بنسبة ۱۰ إلى ۳۰ بالمئة. وتصل العواكس الحديثة إلى كفاءة تحويل تزيد عن ۹۵٪ [3].

الكفاءة والتحسين

تحدث خسائر الطاقة في كل مرحلة، من امتصاص الفوتون حتى التسليم النهائي للتيار المتردد (AC). وتشمل خسائر التيار المستمر (DC) الخسائر المقاومة في الأسلاك، وخسائر عدم التطابق بين الألواح ذات الخصائص المختلفة، والخسائر الناتجة عن الغبار على أسطح الألواح. تقوم أنظمة المراقبة الذكية بتتبع الإنتاج والاستهلاك والتفاعل مع الشبكة لتحسين أداء النظام [3].

تتكون الخلايا الشمسية الحديثة من طبقتين من أشباه الموصلات، وعندما يسقط ضوء الشمس عليها، تكتسب الإلكترونات طاقة وتتحرك. وتولد هذه الحركة تياراً كهربائياً [4].

تحولت الطاقة الشمسية من مفهوم مستقبلي إلى حل طاقة شائع يغذي ملايين المنازل والشركات في جميع أنحاء العالم [3]. وقد نمت قدرة إنتاج الكهرباء الشمسية بسرعة هائلة، وتم نشر الأنظمة الكهروضوئية الشمسية بشكل أسرع من أي مصدر طاقة آخر في التاريخ [5].