الطاقة الشمسية
للشمس العديد من الفوائد أهمها توليد الحرارة، وتكوين التفاعلات الكيميائية، بالإضافة إلى توليد الكهرباء، إذ تُعد الطاقة الشمسية طاقة مُتجددة فهي غير ملوثة للبيئة، وتَتَجدد باستمرار بعكس الوقود الأحفوري والغاز الطبيعي والبترول، لذلك تم استخدام التكنولوجيا الحديثة في توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية، حيث يُمكن الاعتماد عليها لتلبية احتياجات العالم مستقبلاً في حال تم استخدامها بالطُّرق المناسبة.
كيفية تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية
تقوم الشمس بإشعاع ما يقارب 3.846×1026 واط من الطاقة مُوزعة على سطح الأرض على شكل ضوء أو إشعاعات أخرى، ويتم الاستفادة من الطاقة المُرسلة من خلال تجميع الضوء المُشع، وتحويله مباشرة إلى حرارة أو كهرباء عن طريق التحويل الكهروضوئي. ويمكن تعريف عملية التحويل الكهروضوئي على أنها قُدرة المادة على قذف الإلكترونات عند إشعاع الضوء عليها، حيث تُستخدم هذه العملية في الخلايا الشمسية.
الخلايا الشمسية
تُعرف الخلايا الشمسية بأنها أداة لتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية، وذلك من خلال عملية التحويل الكهروضوئي، ويُمكن تلخيص مبدأ عمل الخلايا الشمسية كما يلي:
- تحتوي الخلية الشمسية على مادة السيليكون ، وهي مادة شبه موصلة تمتلك بعض خصائص المعادن، وبعض خصائص المواد العازلة، إذ يتم نقل الطاقة من الفوتونات -جزيئات من ضوء الشمس- إلى إلكترونات ذرات السيليكون الموجودة في الخلية الشمسية عند تصادم الفوتونات بها، فتتحرر تلك الموجودة في المدار الأخير للسليكون مما يؤدي إلى تكوين اختلال توازن كهربائي في الخلية الشمسية.
- يُمكن حل الاختلال في التوازن الكهربائي في الخلية الشمسية بسبب التكوين الداخلي لذرة السيليكون، حيث إنه عند ترتيب ذرات السيليكون بداخل الخلية الشمسية بطريقة مُحكمة الإغلاق يتكوَّن لدينا نوعين من السيليكون:
- ذرات السيليكون من النوع إن: ذرات السيليكون السالبة (بالإنجليزية: n=negative)، وهي عبارة عن ذرات سيليكون سالبة الشُحنة لاحتوائها على إلكترونات إضافية.
- ذرات السيليكون من النوع بي: ذرات السيليكون الموجبة (بالإنجليزية: p=positive)، وهي عبارة عن ذرات سيليكون موجبة الشُحنة لفقدها للإلكترونات، وترك ثُقوب عِوضاً عنها.
- تنتقل الإلكترونات السالبة من السيليكون نوع إن إلى الثقوب الموجودة في السيليكون نوع بي لسد الثقوب، مما يجعل السيليكون من النوع بي مشحوناً بشحنة سالبة، والسيليكون من النوع إن مشحوناً بشحنة موجبة، وبالتالي يتولَّد لدينا مجال مغناطيسي في الخلية الشمسية.
- عندما تقوم الفوتونات بتحرير الإلكترونات من ذرات السيليكون، يعمل المجال المغناطيسي المُتولِّد على دفع هذه الإلكترونات في مسار مُنتظم، مما يكوّن التيار الكهربائي.
أنواع الخلايا الشمسية
تُعد الشمس مصدراً فعّالاً وذا تكلفة منخفضة لإنتاج الطاقة، لذلك تم تصنيع أنواع مُتعددة من الألواح الشمسية بتقنيات مختلفة ومتنوعة لتوليد واستخدام وتخزين الطاقة الشمسية ، ومن هذه الأنواع:
- الألواح الشمسية أُحادية البلورة: تمتاز هذه الألواح بالكفاءة العالية نسبةً الى الألواح الأخرى، حيث إنها تُنتج كميات أكبر من الطاقة، بالرغم من أنها تَشغل مساحة أقل، لكن تكلفتها مرتفعة جداً.
- الألواح الشمسية الكريستالية: تُعد هذه الألواح أقل سعراً من الألواح الشمسية أُحادية البلورة، إلَّا أن كفاءتها أقل وعمرها أقصر.
- الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة: تتسم هذه الخلايا بسهولة صُنعها، وسعرها المنخفض جداً، إلّا أن عمرها قصير وكفاءتها هي الأقل نسبةً إلى الألواح الشمسية الأُخرى.
- الخلايا الشمسية غير المُتبلورة للسيليكون: تُستخدم هذه الخلايا كمصدر للطاقة للآلات الحاسبة الصغيرة، إذ إنها رخيصة السعر، ولكن كفائتها منخفصة جداً.
- الخلايا الشمسية البيولوجية: تقوم هذه الخلايا بمُضاهاة عملية التمثيل الضوئي في الطبيعية، إلّا أنها لا تزال تحت الدراسة ولم تُطبق على أرض الواقع.
- خلايا الكادميوم تيلورايد الشمسية: تُساعد هذه الخلايا على إنتاج الطاقة باستخدام كمية قليلة من الماء، ولكنها تَستخدم الكربون الضار بصحة الإنسان إذا تم استنشاقه أو تناوله.
- الخلايا الكهروضوئية المُركزة: تقوم هذه الخلايا بتوليد الطاقة بالطريقة ذاتها التي تُستَخدم في الأنظمة الكهروضوئية التقليدية، لكنها تمتاز بأنها الأعلى كفاءة.
تطبيقات على الخلايا الشمسية
إن التقدم في مجال الخلايا الشمسية أتاح وجود الكثير من التطبيقات عليها، ومنها:
- أضواء الشوارع: حيث يتم الاستفادة من أشعة الشمس خلال النهار وشحن بطاريات الخلايا، لتشغيل الأضواء ليلاً.
- ثلاجات للأدوية واللقاحات: يتم توفير هذه التقنية لتمكين العاملين في مجال الرعاية الصحية في المناطق النائية التي لا يتوافر بها كهرباء من إعطاء الأدوية لمن يحتاجها.
- الأفران: حيث تَعكس هذه الأفران الأشعة الشمسية، لاستخدامها في طهي الطعام.
- شواحن للهواتف الخلوية: يتم شحنها من خلال التعرض لأشعة الشمس عدة ساعات، حيث يُمكنها بعد ذلك شحن العديد من الأجهزة بالكهرباء.
- الدهان: يُمكن من خلال استخدام خلايا شمسية كهروضوئية خفيفة السُّمك القيام بعمل دهان للمنازل أو السيارات، حيث يقوم الجُزء المُعرض للأشعة الشمسية على إنتاج الطاقة.
- الخِيام: تحتوي الخِيام على خلايا شمسية ضوئية تُمكنها من إنتاج الطاقة الكهربائية ، لإمداد الخيمة ليلاً بالطاقة لإضائتها والتمكن من شحن الأجهزة الكهربائية الصغيرة.
- حقائب الظهر: حيث يتم تزويد هذه الحقائب بخلايا شمسية تُشحن من أشعة الشمس أثناء المشي، ويُستفاد من هذه الطاقة بشحن الأجهزة الخلوية والكاميرات وغيرها.
استخدامات الطاقة الشمسية
يُمكن تحويل الطاقة الشمسية إلى أشكال أُخرى من الطاقة كالطاقة الكيميائية، والطاقة الحرارية.
تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية
يُمكن أن تتحول الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية من خلال عملية البناء الضوئي في النبات، حيث إن أوراق النبات تَمتص الأشعة الشمسية من أجل بناء السُّكريات البسيطة وتخزين الطاقة مما يساعد على نموها، إذ عندما يأكل الإنسان النبات يتم نقل الطاقة الكيميائية المُخزنة من النبات إلى جسمه، حيث يزوده بالطاقة للقيام بجميع عمليات حياته كالنمو، والحركة، والتنفس، والتحدث، وغيرها.
تحويل الطاقة الشمسة إلى طاقة حرارية
يُمكن الاستفادة من حرارة أشعة الشمس عن طريق طلاء الأسطح المُراد تسخينها بالألوان الداكنة أو اللون الأسود، لزيادة امتصاصية السطح للأشعة الشمسية، ويتم استخدام هذه الطريقة في البُلدان التي تتميز بدرجات الحرارة المُنخفضة، كما تُستخدم عملية تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية بكثرة في جهاز التسخين الشمسي - السخَّان الشمسي -، حيث يَحجز جهاز التسخين الشمسي طاقة الشمس، وتَمتص المياه الموجودة بالأنابيب الحرارة وبذلك يتم تسخينها.
