بقلم سهام الشريف
الطاقة الشمسية (Solar Energy) هي طاقة آمنة ورخيصة ونظيفة، وهي من أهم أشكال الطاقة المتجددة وتمثل حلاً مستدامًا لأزمة الطاقة، ونظرًا لما يشهده العالم من تبعات استخدام الوقود الأحفوري الذي أدى إلى حدوث مخاطر التغير المناخي، يقع على عاتق الدول والحكومات خفض انبعاثات غازات الاحتباس الحراري، ودعم حلول الطاقة المتجددة.
ومن أشكال الطاقة المتجددة طاقة الرياح والطاقة الشمسية، وهما يشهدان نموًا كبيرًا، إلا أن الطاقة الشمسية تختلف عن طاقة الرياح في أنها مناسبة للأفراد والمؤسسات التجارية، ولعل استخدام الطاقة الشمسية يساهم في تقليل مخاطر التغير المناخي وحل أزمة الطاقة.
في هذا المقال، سنتناول كل ما يخص الطاقة الشمسية من مميزات وعيوب، واستخدامتها المختلفة والتقنيات المستخدمة في توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية، وكذلك سنلقي نظرة على تاريخ تطور استخدام الطاقة الشمسية وعلى بعض الإحصائيات الخاصة بالاستثمار فيها.
ما هي الطاقة الشمسية؟
الطاقة الشمسية هي إشعاع الشمس الذي يستخدم في توليد الكهرباء أو في إنتاج الحرارة أو إحداث التفاعلات الكيميائية.
يستقبل كوكب الأرض في ساعة واحدة كمية من الطاقة الشمسية تفوق ما يحتاجه الكوكب لمدة عام كامل. وإذا سخرنا التقنيات المناسبة لاستغلالها وتحويلها إلى كهرباء، فإن ذلك سيعمل على حل أزمة الطاقة.
فالطاقة الشمسية هي طاقة متجددة وبديل مستدام للوقود الأحفوري. فالنفط سينفذ بحلول 2052، وسينفد الغاز الطبيعي بحلول 2060، وسينفد الفحم بحلول 2090، أما الشمس فهي قادرة على الاستمرار لمدة 5 مليارات سنة.
والشمس مصدر هائل للطاقة، فالأرض تستقبل كل يوم كمية من الطاقة الشمسية تصل إلى 200000 ضعف من الاحتياج اليومي للكوكب من الكهرباء.
وتتميز بعض الدول بوفرة الطاقة الشمسية من حيث قوة وتركيز أشعة الشمس الساقطة على الألواح الشمسية أو ما يعرف بالإشعاع الشمسي الأفقي الكلي (Global horizontal irradiance) وتُختصر بـ GHI، ومن أكثر الدول التي تتميز بوفرة الطاقة الشمسية اليمن ثم إريتريا ثم المملكة العربية السعودية.
ولكن ضوء الشمس تقل شدته عندما يصل إلى الأرض، وذلك نظرًا لبُعد الشمس عن الأرض، بالإضافة إلى دور الغلاف الجوي والسحب في امتصاص أو تشتت 54% منه، لذا توجد تقنيات مختلفة لاستغلالها الاستغلال الأمثل.
تُستخدم الخلايا الشمسية الكهروضوئية في تحويل ضوء الشمس إلى تيار كهربي مستمر، هذا التيار يدخل إلى المحول (Inverter) ليحوله إلى تيار متردد مناسب للاستهلاك، ثم تخزن هذه الطاقة في بطاريات.
لا تُستخدم هذه الخلايا بمفردها بل تجمع في صورة ألواح (Panels). هذه الألواح توضع على أسطح المنازل السكنية أو المباني التجارية أو توزع على حوامل تركيب أرضية لعمل أنظمة المرافق العامة.
تستخدم الطاقة الشمسية في مجالات وتطبيقات مختلفة، أبرزها:
- في المنازل: مثل توليد الكهرباء والبطاريات والمولدات والتهوية وتسخين المياه وتدفئة المنازل وتدفئة حمامات السباحة.
- في الإنارة والإضاءة: إنارة المناظر الطبيعية وإنارة المنازل من الداخل.
- في الأجهزة: مثل الشواحن والأفران والمبردات وكاميرات المراقبة.
- في الأدوات والمحطات: مثل خيام مزودة بالطاقة الشمسية، ومقاهي إنترنت مزودة بالطاقة الشمسية.
تعتمد كمية الطاقة المنتجة من الألواح الشمسية على عدة عوامل منها:
- عدد ساعات النهار.
- كمية السحب.
- زاوية سقوط أشعة الشمس على الألواح الشمسية.
- حجم الأوساخ أو الثلوج المتراكمة على الألواح.
- درجة الحرارة.
اقرأ أيضاً: كل ما تحتاج معرفته عن تعدين العملات الرقمية
تاريخ تطور استخدام الطاقة الشمسية في سطور
- القرن السابع قبل الميلاد: استخدام الطاقة الشمسية لإشعال الحرائق وحرق النمل باستخدام العدسات المكبرة.
- القرن الثالث قبل الميلاد: استخدم الإغريق والرومان المرايا المُحرقة لإشعال المصابيح في الاحتفالات الدينية.
- القرن الثاني قبل الميلاد: استخدم أرشميدس الخواص العاكسة للدروع البرونزية، وذلك من أجل تركيز أشعة الشمس وإشعال النيران في السفن الخشبية للإمبراطورية الرومانية.
- 1839: اكتشف إدموند بيكريل (Edmond Becquerel) التأثير الكهروضوئي، وهو المبدأ الذي تقوم عليه الخلايا الشمسية.
- 1883: ابتكر تشارلز فريتس (Charles Fritts) أول خلية شمسية، والتي تبلغ كفاءتها 1%.
- 1954: طورت مختبرات بيل (Bell Labs) أول خلية شمسية عالية الكفاءة من السيليكون، والتي تبلغ كفاءتها 6%.
- 1960: صنعت شركة Hoffman Electronics خلية شمسية بكفاءة 14%.
- 1964: أطلقت ناسا قمرًا صناعيًا Nimbus I يعمل بالخلايا الشمسية.
- 1976: إنتاج أول ألواح شمسية من السيليكون رقيقة الأغشية.
- 1977: إنشاء المختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL) في الولايات المتحدة.
- 1980: انخفاض كبير في تكلفة الألواح الشمسية.
- 1990: بدأ قطاع الطاقة الشمسية في النمو بسرعة.
- 2000: استمرار منشآت الطاقة الشمسية في النمو في جميع أنحاء العالم.
- 2010: أصبحت الطاقة الشمسية واحدة من مصادر الطاقة الأسرع نموًا في العالم وذات الأسعار المناسبة.
- 2020: أصبحت الطاقة الشمسية لاعبًا أساسيًا في الانتقال إلى مستقبل الطاقة النظيفة.
التقنيات المستخدمة في توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية
1.تقنية الطاقة الشمسية الكهروضوئية (Solar Photovoltaic Technology)
تسمى الخلايا الشمسية بالخلايا الكهروضوئية، وهي تحول الضوء إلى كهرباء، ولها عدة أنواع وهي:
أ) خلايا شمسية سليكونية (Silicon Solar Cells)
معظم الخلايا الشمسية مصنوعة من السيليكون، وتتميز هذه الخلايا بأسعارها المناسبة وكفاءتها الجيدة، والكفاءة تعني معدل تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء، فإذا كانت الخلية على سبيل مثال ذات كفاءة 30%، فإن هذا يعني أن 30% من أشعة الشمس الساقطة على الخلية تتحول إلى كهرباء.
ب) خلايا شمسية ذات الأغشية الرقيقة (Thin-Film Solar Cells)
من التقنيات المعروفة، وتعرف بهذا الاسم لأن الخلايا الشمسية فيها مصنوعة من طبقة رقيقة من مواد أشباه الموصلات مثل كادميوم تيلوريد.
ويبلغ سُمك الطبقة عدة ميكرومترات، والمتر يحتوي على مليون ميكرومتر. يتميز هذا النوع من الخلايا بالمرونة والخفة، ويصلح للاستخدام على نطاقات واسعة.
ج) خلايا شمسية من المجموعة الثالثة والخامسة (III-V Solar Cells)
هذه الخلايا مكونة من عناصر المجموعة الثالثة من الجدول الدوري للعناصر مثل الجاليوم والإنديوم، ومن عناصر المجموعة الخامسة من الجدول الدوري مثل الأنتيمون والزرنيخ.
تكلفة تصنيع هذا النوع من الخلايا أعلى من باقي الأنواع، ولكن تتميز بكفاءتها المرتفعة، لذا تستخدم هذه الخلايا في الأقمار الصناعية والطائرات بدون طيار.
د) الجيل القادم من الخلايا الشمسية (Next-Generation Solar Cells)
يطور الباحثون هذه الخلايا وهي مصنوعة إما من مواد عضوية، أو نقاط كمومية أو البيروفسكايت (مادة معدنية لها خواص كهروضوئية)، تتميز هذه الخلايا بانخفاض تكلفتها، وسهولة تصنيعها، وهي مازالت قيد البحث والتطوير والاختبار.
2. تقنية الطاقة الشمسية الحرارية المركزة (Concentrating Solar-Thermal Power Technology)
تستخدم هذه التقنية مرايا من أجل عكس أشعة الشمس وتجميعها على مستقبل (receiver)، هذه الطاقة تُستخدم في تسخين سائل مرتفع الحرارة (high temperature fluid) في المستقبِل، وتستخدم هذه الحرارة في دوران التوربين أو المحرك لتوليد الكهرباء.
ويمكن استخدام هذه التقنية في تطبيقات صناعية مختلفة مثل تحلية المياه، والاستخلاص المعزز للنفط وتجهيز الأغذية وإنتاج المواد الكيميائية ومعالجة المعادن.
تستخدم هذه التقنية في مشروعات المرافق العامة، ويمكن تصميم محطات الطاقة الشمسية الحرارية المجمعة بطرق مختلفة، مثل أنظمة أبراج الطاقة ( Power tower systems) وفيها توضع المرايا حول برج مركزي يعمل كمستقبل، أو الأنظمة الخطية (Linear systems) التي بها صفوف من المرايا المجمعة لضوء الشمس على مستقبلات متوازية على شكل أنابيب (parallel tube receivers) توضع فوقها.
اقرأ أيضاً: ما هي الطباعة ثلاثية الأبعاد
مميزات وعيوب الطاقة الشمسة
أولاً مميزات توليد الكهرباء بالألواح الشمسية (Solar panels)
- التطور مستمر: يشهد القطاع تطورًا كبيرًا ويعمل الباحثون على رفع الكفاءة والجودة.
- توفير فاتورة الكهرباء: بعد فترة من إدخال نظام الطاقة الشمسية في منزلك فلن تعتمد على كهرباء الشبكة الحكومية ولكن ستنتج الكهرباء في منزلك، وكلما زاد الإنتاج زاد التوفير.
- تنخفض أسعارها بمرور الوقت: كلما تطورت التقنية انخفض سعرها، فالطاقة الشمسية الكهروضوئية انخفض سعرها من 2010 إلى الآن بنحو 70٪ من قيمتها.
- سهلة التركيب: تحتاج إلى توفير مساحة على السطح أو الأرض مع اتخاذ بعض الخطوات اللازمة.
- انخفاض تكلفة الصيانة: تحتاج إلى التنظيف عدة مرات خلال العام.
- طاقة نظيفة: لا تنبعث منها غازات الاحتباس الحراري ولا تلوث المياه.
- توفر لك الكهرباء اللازمة وتمنحك الاستقلالية: لا تعتمد على الكهرباء الحكومية، وتحمي نفسك من الأعطال وبذلك تحافظ على الإنتاجية.
- لا تصدر الضوضاء: تقنية صامتة لا تسبب الضجيج مثل المولدات، وتُناسب المناطق السكنية.
- توفر المكان: لا تحتاج منك سوى سطح المنزل.
ثانياً عيوب توليد الكهرباء بالألواح الشمسية
- لا تناسب جميع الأماكن نظرا لاختلاف كمية أشعة الشمس من مكان لآخر ومن توقيت لآخر.
- استخراج المعادن اللازمة لصناعة الألواح الشمسية قد يؤثر على النظام البيئي.
- لها فترة صلاحية محددة تدوم لفترة من 20 إلى 25 عامًا.
- حالة الطقس تُؤثر على الإنتاجية، فعلى سبيل المثال الغيوم تقلل من الإنتاجية.
- لا تنتج الكهرباء في الليل، لذلك يجب الاعتماد على طاقة بديلة أو مخزنة.
- التكلفة في البداية مرتفعة ولكن على المدى الطويل توفر فواتير الكهرباء.
إحصائيات تخص اقتصاد قطاع الطاقة الشمسية
1. في الآونة الأخيرة استثمرت الشركات بقوة في هذا القطاع. ووصل حجم الاستثمار في الطاقة الشمسية إلى 380 مليار دولار على مستوى العالم في عام 2023.
2. بدأت الشركات الكبيرة باستخدم الطاقة الشمسية في مكاتبها ومتاجرها مثل أمازون وول مارت.
3. صدرت إحصائية من جامعة في فنلندا تشير إلى أن الكهرباء المستخدمة ستكون 70% منها من إنتاج الطاقة الشمسية بحلول 2050.
4. تسعى بعض المدن في العالم إلى تقليل انبعاث غازات الاحتباس الحراري، ففي كاليفورنيا تعمل على تقليلها لنسبة 40% بحلول 2030.
5. في بداية الألفينات كان سعر الواط الواحد 10 دولار، ووفقًا لتقرير الوكالة الدولية للطاقة المتجددة في 2017 أصبح سعر الكيلو واط 0.1 دولار. فيما يقابل سعر الوقود الأحفوري من 0.17 إلى 0.5 دولار.
6. زادت نسبة تركيب الألواح الشمسية في أمريكا من 2008 وحتى 2021 وارتفع حينها إنتاج الكهرباء من الطاقة الشمسية من 0.34 إلى 97.2 جيجا واط.
7. سيشهد قطاع الطاقة الشمسية نموًا كبيرا في خلال السنوات القليلة القادمة، فبحلول عام 2026 سيتجاوز إنتاج الطاقة الشمسية للكهرباء ما ينتجه الغاز الطبيعي وفي عام 2027 ستتجاوز ما ينتجه الفحم.
8. تُنتج الصين 3.9٪ من الكهرباء باستخدام الطاقة الشمسية.
9. تتصدر دولة الإمارات الدول العربية في إنتاج الكهرباء من الطاقة الشمسية بنحو 2899 ميجا واط، وتليها مصر بإجمالي 2048 ميجا واط، ثم الأردن بـ 1048 ميجا واط، ثم قطر بـ 815 ميجا واط، وحلت المغرب في المرتبة الخامسة بإنتاج يقدر بـ 740 ميجا واط.
10. أنتجت مصر نسبة 2% من الكهرباء باستخدام الطاقة الشمسية عام 2022، في حين تستهدف وصول نسبة الإنتاج إلى 26% عام 2035.
11. تنتج المملكة العربية السعودية نحو 426 ميجاواط من الكهرباء باستخدام الطاقة الشمسية، وتستهدف رؤية المملكة 2030 للوصول إلى إنتاج يصل إلى 40 جيجا واط.
اقرأ أيضاً: ما هي أبرز محطات الطاقة الشمسية في مصر
الخاتمة
وفي الختام، فإن الطاقة الشمسية حل مستدام سيعمل على خفض البصمة الكربونية، ومن ثم تقليل مخاطر التغير المناخي، وبتطور التقنيات الخاصة بتوليد الكهرباء من الطاقة الشمسية، ربما سيشهد العالم طفرة في قطاع الطاقة في المستقبل.
ولكن قبل تركيب الألواح الشمسية، يجب معرفة الآتي:
- هل سطح منزلك مناسب؟
- معرفة عدد الألواح المناسبة.
- التكلفة.
- مقدار التوفير وفترة استرداد التكلفة (Payback period).
- سمعة الشركة المصنعة.
- تكلفة الصيانة.
- آراء عملاء الشركة.
- آراء من تعرفهم في تجربة التعامل مع الشركة.
