أصبح الحديث عن تطبيقات الطاقة الشمسية ومستقبلها ضرورة ملحّة في ظل تزايد الحاجة إلى مصادر طاقة بديلة ومستدامة والاعتماد الطويل على المصادر غير المتجددة مثل الفحم والنفط أثبت محدوديته مع مرور الزمن إذ أن هذه المصادر تمتلك عمرًا افتراضيًا محددًا وتنطوي على آثار بيئية ضارّة تؤثر سلبًا على الإنسان والحيوان والنبات.
كما أصبح البحث عن مصادر طاقة نظيفة ومستدامة أمرًا لا مفر منه حيث يجب أن تكون هذه المصادر غير ملوّثة للبيئة وقابلة للتجدد دون أن تنضب بمرور الوقت مما جعل الاهتمام يتجه نحو الطاقة النظيفة مثل (طاقة الرياح، الطاقة الشمسية، والطاقة المائية) التي تُعتبر بدائل آمنة وفعّالة.
ومع هذا التوجّه شهد العالم تطورًا ملحوظًا في تقنيات الطاقة الشمسية وإدخالها في العديد من المجالات نظرًا لقدرتها على توفير طاقة متجددة ومستدامة إذ تم العمل على تحسين كفاءتها وزيادة الاعتماد عليها بشكل موسّع واليوم أصبحت الطاقة الشمسية عنصرًا رئيسيًا في الكثير من الصناعات والمشاريع مما يثبت أهميتها في مستقبل الطاقة ومن خلال موقعنا سنتناول أبرز تطبيقات الطاقة الشمسية ودورها المحوري في تشكيل مستقبل الطاقة في مختلف القطاعات.
تعريف مصادر الطاقة الشمسية
- تُعَدُّ الطاقة الشمسية واحدة من أبرز مصادر الطاقة التي تعتمد على الإشعاع الشمسي في إنتاجها إذ تتميز بأنها طاقة دائمة لا تنضب ومتاحة في العديد من دول العالم نظرًا لاعتمادها على وفرة الشمس في حياتنا اليومية.
- وهذا ما يجعلها مصدرًا موثوقًا يُعتمد عليه بشكل واسع الإشعاع الصادر عن الشمس يُستخدم في توليد الكهرباء وتحفيز التفاعلات الكيميائية والحرارية ما ساهم في انتشار استخدامها عالميًا وأصبحت العديد من الدول المتقدمة تتجه نحو استبدالها بمصادر الطاقة غير المتجددة.
- وذلك لكونها طاقة نظيفة لا تسبب أضرارًا للبيئة أو للإنسان تعتمد الطاقة الشمسية على منظومتين رئيسيتين يتم توظيفهما في مجالات متعددة حيث لكل نظام خصائصه وتطبيقاته المختلفة.
- تُستمد الطاقة الشمسية بشكل رئيسي من أشعة الشمس التي تُعدّ مصدرًا مستمرًا لا ينتهي.
- هذه الميزة تجعلها متاحة في العديد من الدول نظرًا لأن الشمس تُشكِّل جزءًا أساسيًا من حياتنا اليومية.
- الإشعاع القادم من الشمس يُستخدم في توليد الطاقة الكهربائية وتنشيط التفاعلات الحرارية والكيميائية.
- وبسبب أهميتها المتزايدة، انتشر استخدامها على نطاق عالمي، وأصبحت دولٌ متقدمة عديدة تعتمد عليها كبديل لمصادر الطاقة غير المتجددة.
- الدافع الرئيسي وراء هذا التحوُّل يكمن في كونها طاقة نظيفة وآمنة لا تُلحق أي ضرر بالبيئة أو الإنسان.
- من المهم معرفة أن الطاقة الشمسية تُقسَّم إلى نوعين من الأنظمة، حيث يتميز كل نوع بخصائصه وتطبيقاته المتعددة.
أنظمة الطاقة السلبية
- يَعتمد هذا النّظام على مجموعة من التّقنيات المختلفة ولا بُدَّ من استخدام مواد ذات كُتلة حراريّة تتلاءم معه لضمان تحقيق أعلى درجات الكفاءة.
- إحدى الجوانب الأساسية في هذا النّظام هي توجيه المباني باتجاه الشّمس وذلك للاستفادة القصوى من الإضاءة الطبيعيّة وامتصاص الحرارة بشكل فعّال.
آلية عمل نظام الطاقة الإيجابية
يعتمد نظام الطاقة الإيجابية على مجموعة من التقنيات المتطورة التي تدمج بين الألواح الفولتوضوئية والمعدات الميكانيكية والكهربائية وعلاوة على ذلك المجمعات الحرارية الشمسية التي تُساهم بشكل كبير في رفع كفاءة إنتاج الطاقة.
- يتطلب توليد الطاقة الكهربائية أو الحرارية من أشعة الشمس الاستعانة بتقنيات متخصصة تمتلك القدرة على امتصاص الإشعاع الشمسي وتحويله إلى طاقة قابلة للاستخدام.
- تعتمد هذه التقنيات على استقبال الفوتونات المنبعثة من أشعة الشمس ثم تحويلها إلى طاقة كهربائية أو حرارية وفقًا لنوع النظام المستخدم والهدف من استثماره.
التكنولوجيا المستخدمة في توليد الطاقة الكهربائية
التكنولوجيا المُستخدمة في إنتاج الطاقة الكهربائية تعتمد بشكل أساسي على تقنيات متعددة تم تطويرها لضمان تحقيق أعلى كفاءة في تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء وقد أشار الخبراء إلى أن هذه التقنيات تُعد من العوامل الأساسية في تعزيز فعالية عملية التحويل ومن أبرزها:
ألواح الخلايا الكهروضوئية
- تُعدّ المصفوفات الكهروضوئية التّقنية المُستخدمة في تحويل أشعة الشمس إلى طاقة كهربائية حيث تُشكل عنصرًا أساسيًا في أنظمة الطّاقة الشّمسية التي تعتمد على هذه التّحويلات لتوليد الكهرباء.
- تَعتمد هذه التّقنية على الخلايا الكهروضوئية التي تَعمل على تحويل الضّوء الشمسي مباشرة إلى تيار كهربائي، مما يسمح باستغلال الطّاقة الشمسية في توليد الكهرباء بطريقة فعّالة.
- تتكوّن كل خلية كهروضوئيّة من مادة السّيليكون التي تُساعد على نقل الكهرباء عند تعرّضها للضوء حيث يُساهم هذا التأثير البصري في تَوليد التّيار الكهربائي بفضل الخصائص الفيزيائية للمادة.
المصفوفات الكهروضوئية الذكية
- تَمتَازُ المصفوفاتُ الكهروضوئية المُتحَكِّمَةُ بقُدْرَتِهَا على مُتابَعَةِ الإشعاعِ الشمسيِّ بدِقَّةٍ عالِيَةٍ مِمَّا يُسَاعِدُ في تَحْسِينِ كَفَاءَةِ نِظَامِ تَوْلِيدِ الطَّاقَةِ لِضَمَانِ أَدَاءِ أَفْضَلَ فِي تَحْوِيلِ الطَّاقَةِ الشَّمْسِيَّةِ إِلَى كَهْرَبَاءِ صَالِحَةٍ لِلِاسْتِعْمَالِ.
- تَعْتَمِدُ هَذِهِ المصفوفاتُ على وَحَدَاتِ تَحَكُّمٍ مُتَطَوِّرَةٍ لِضَمَانِ جَمْعِ أَكْبَرِ كَمِّيَّةٍ مُمْكِنَةٍ مِن الأَشِعَّةِ الشَّمْسِيَّةِ بِشَكْلٍ أَمْثَلَ مِمَّا يُسَاعِدُ فِي تَعْظِيمِ مِقْدَارِ الطَّاقَةِ المُتَحَصَّلِ عَلَيْهَا وَتَحْسِينِ الكَفَاءَةِ العَامَّةِ لِلنِّظَامِ.
- بَعْدَ إِتْمَامِ عَمَلِيَّةِ التَّثْبِيتِ يَصْبِحُ الذِّكَاءُ التِّقْنِيُّ لِلنِّظَامِ قَادِرًا عَلَى تَشْغِيلِ الأَجْهِزَةِ الكَهْرَبَائِيَّةِ مُبَاشَرَةً بِفَعَالِيَّةٍ كَبِيرَةٍ لِأَنَّهُ يُحَوِّلُ الطَّاقَةَ الشَّمْسِيَّةَ إِلَى كَهْرَبَاءَ صَالِحَةٍ لِلِاسْتِفَادَةِ مِنْهَا بِشَكْلٍ مُسْتَمِرٍّ.
محولات الطاقة الكهربائية
- تُعَدّ الإنفرترات عنصرًا مُهمًّا في معالجة التحدّيات التي تواجهها الخَلايا الكهروضوئيّة أثناء تَوليد الطّاقة.
- إحدى المَشاكل الرّئيسيّة هي أنّ هذه الخَلايا تُنتِج تيّارًا كهربائيًّا مُستمرًّا بدلًا من التّيّار المُتردّد.
- هذا النَّوع من التَّيّار لا يَتوافق مع العديد من الأجهزة الكهربائيّة إلى جانب كَونه غير مُستقرّ.
استخدامات الطاقة الشمسية وطرق تخزينها
الطاقة الشمسية تُنتج خلال ساعات النهار نتيجة لتوفر أشعة الشمس ولكن مع غياب الشمس أثناء الليل لا يمكن توليد الطاقة الشمسية بشكل مباشر ولهذا ابتكر الباحثون والمتخصصون تقنيات متقدمة لتخزين الطاقة الشمسية التي يتم توليدها خلال النهار حتى يكون بالإمكان استخدامها في فترات المساء وذلك من خلال تحويلها إلى طاقة حرارية أو كهربائية أو ضوئية ومن بين الطرق الفعالة التي يتم بها تخزين الطاقة الشمسية ما يلي:
تقنيات تخزين الطاقة الضوئية
- يتم تخزين الطاقة الضوئية من خلال بطاريات مُخصصة تُصمم بحيث تكون قابلة لإعادة الشحن مما يسمح لها بالاحتفاظ بالطاقة المستمدة من أشعة الشمس لاستخدامها لاحقًا عند الحاجة.
- يتم شحن هذه البطاريات خلال ساعات النهار من خلال امتصاص الطاقة الشمسية وتخزينها لاستخدامها أثناء فترات المساء وفي حال نفاد الطاقة المخزنة يتم إعادة شحنها مجددًا خلال اليوم التالي لضمان استمرارية الإمداد.
وسائل تخزين الطاقة الحرارية
- أنظمة تخزين الطاقة الحرارية تُستخدم في تطبيقات مُحددة، ومنها أنظمة تسخين المياه التي تعتمد على استغلال الطاقة الشمسية وتحويلها إلى حرارة تُستفاد منها في الاستخدامات المختلفة.
- تقوم هذه الأنظمة على مبدأ تحويل الطاقة الشمسية إلى حرارة من خلال تقنية تُعرف باسم “التخزين المبسط”، والتي تُستخدم بشكل رئيسي في تسخين المياه.
- يعتمد هذا النظام على مجمعات خاصة للطاقة الشمسية، حيث تبدأ عملية التسخين بمجرد الحاجة إلى المياه الساخنة، فتنتقل الحرارة مباشرةً إلى الماء لرفع درجة حرارته.
- بعد وصول المياه إلى درجة الحرارة المطلوبة، يتم نقلها من الخزان المُخصص لها إلى النقطة التي يُراد استخدامها فيها، مما يضمن استهلاكًا فعالًا للطاقة الحرارية.
أبرز مميزات الطاقة الشمسية
تمتلك الطاقة الشمسية العديد من المزايا التي تجعلها من أبرز الحلول المستدامة التي تعتمد عليها الدول بشكل واسع في عدة مجالات ومن بين أبرز هذه المزايا:
- تصنف ضمن أهم مصادر الطاقة المتجددة نظرًا لتوفر أشعة الشمس على مدار العام في غالبية الدول.
- رغم أن تكلفة إنشاء مشاريع الطاقة الشمسية مرتفعة إلا أن عمليات الصيانة والإصلاح لها لا تتطلب تكاليف مرتفعة.
- عند استخدامها بطريقة صحيحة وبشكل متواصل فإنها تظل تعمل لفترات ممتدة دون الحاجة إلى صيانة متكررة.
- يمكن أن تحافظ على فعاليتها لعقود طويلة دون حدوث أعطال أو مشكلات إذا تم استغلالها بشكل مناسب.
- تدخل في عمليات تحلية وتنقية المياه وهو أمر ضروري خاصة في الدول التي تعاني من نقص في مصادر المياه الصالحة للشرب.
- تمد الأقمار الصناعية في الفضاء بالطاقة اللازمة لتشغيلها واستمرار عملها دون مشكلات.
- تسهم في توليد الطاقة الحرارية والكهربائية المستخدمة في إنارة المنازل والشوارع خاصة في المناطق النائية التي لا ترتبط بشبكات الكهرباء التقليدية.
- تعتمد على تقنيات متقدمة مثل فيزياء الكم وتكنولوجيا النانو مما يسهم في رفع كفاءة أنظمة توليد الطاقة الشمسية.
- تعمل هذه التقنيات الحديثة على تطوير أنظمة الطاقة الشمسية باستمرار لتصبح أكثر فاعلية وأكثر استخدامًا في قطاعات متعددة.
- تعد من أكثر مصادر الطاقة الصديقة للبيئة نظرًا لعدم تسببها في أي تلوث كما أنها لا تنتج مخلفات تؤثر سلبًا على صحة الإنسان أو تضر بالمحيط البيئي بخلاف مصادر الطاقة التقليدية.
- لا يترتب على التخلص منها أي أضرار سواء على البشر أو الحيوانات أو النباتات مما يجعلها خيارًا آمنًا ومستدامًا.
- تساهم بشكل كبير في خلق فرص عمل جديدة للشباب مما يساعد في تقليل معدلات البطالة وتعزيز الاقتصاد.
- تلعب دورًا مهمًا في تقليل تكاليف المنتجات الزراعية من خلال توفير الطاقة اللازمة لتشغيل أنظمة الري والإنتاج الزراعي.
- تتميز تقنياتها بالبساطة وسهولة الاستخدام مقارنة بمصادر الطاقة التقليدية التي تعتمد على أنظمة تشغيل أكثر تعقيدًا.
التحديات المرتبطة باستخدام الطاقة الشمسية
تُعد الطاقة الشمسية خيارًا مميزًا لتوليد الكهرباء والتقليل من الاعتماد على مصادر الطاقة التقليدية ومع ذلك هناك تحديات يجب أخذها بعين الاعتبار لضمان كفاءة استخدامها والاستفادة منها بأفضل طريقة ممكنة ومن أبرز هذه التحديات:
- تعتمد الطاقة الشمسية على توفر ضوء الشمس وبما أن الشمس تغيب خلال الليل فإن ذلك يستوجب توفير أنظمة تخزين للطاقة مثل البطاريات القابلة لإعادة الشحن والتي تعمل على الاحتفاظ بالطاقة المخزنة أثناء النهار لاستخدامها عند الحاجة.
- الظروف الجوية وتغير الفصول يؤثران بشكل مباشر على كفاءة الألواح الشمسية حيث تقل كمية الإشعاع الشمسي المتاحة خاصة خلال فصل الشتاء عندما تكون الشمس ضعيفة أو لا تظهر بشكل كافٍ في بعض المناطق.
- يجب توفير تقنيات متطورة تتيح تحويل أشعة الشمس إلى كهرباء بكفاءة عالية بالإضافة إلى تأمين مساحات كبيرة تكفي لتركيب الألواح الشمسية لضمان استقبال أكبر قدر ممكن من الطاقة الشمسية.
- التكلفة المرتفعة تمثل أحد التحديات الرئيسية إذ تتطلب مشاريع الطاقة الشمسية ميزانيات ضخمة لتغطية تكلفة المعدات والتكنولوجيا المتطورة اللازمة لإنشائها.
- مقارنة بأساليب توليد الكهرباء التقليدية باستخدام الوقود الأحفوري مثل الفحم والنفط فإن تكلفة مشاريع إنتاج الطاقة الشمسية لا تزال مرتفعة حيث يمكن أن تصل الاستثمارات المطلوبة إلى ما يقارب خمسة أضعاف التكلفة الاعتيادية لإنتاج الكهرباء بالطرق التقليدية.
التوقعات المستقبلية لقطاع الطاقة الشمسية
- تُعد الطاقة الشمسية إحدى المصادر المتجددة التي يُمكن استغلالها بطريقة فعّالة لتحقيق الاستفادة في مختلف المجالات.
- حيث تلعب دورًا أساسيًا في قطاعات الزراعة والصناعة والتجارة وحتى في مجال التشييد والبناء والإنارة.
- مع التقدم المستمر، يُتوقع أن تصبح الطاقة الشمسية عاملاً رئيسياً في تحديد مستوى تطور الدول ورفعتها.
- كما ستُسهم بشكل كبير في رسم ملامح التنمية والتطور على الصعيد العالمي.
- استنادًا إلى هذا التوجه، بدأت العديد من الدول في تبني حلول الطاقة الشمسية كبديل عن مصادر الطاقة التقليدية ذات التأثير السلبي على البيئة.
- إذ أن الدول التي تسعى للاعتماد على الطاقة النظيفة تُخطط لبناء مستقبل يعتمد على الاستدامة في شتى المجالات.
- نشهد اليوم اهتمامًا مُتزايدًا من عدة دول تعمل بجهد على تسخير إمكاناتها لإطلاق مشاريع ضخمة تهدف إلى الاستفادة المُثلى من الطاقة الشمسية.
- وتسعى لتنفيذ مشروعات استثمارية كُبرى في مختلف أنحاء العالم لتحقيق هذا الهدف.
- ومن بين المشاريع الرائدة، المشروع البريطاني الذي يهدف إلى إنشاء محطة طاقة شمسية بمعايير عالمية حديثة.
- كما تحتضن تونس واحدة من أضخم محطات الطاقة الشمسية حيث بلغت التكلفة الإجمالية لهذا المشروع نحو خمسة مليارات يورو.
- بالإضافة إلى مشروع الأردن الذي يُعد أحد المشاريع البارزة في توليد الطاقة الشمسية ويمتد لمساحة تقارب مليونَيْ متر مربع.
- وتُشير التقديرات إلى أن تكلفة إنشائه وصلت إلى حوالي 170 مليون دولار.
- إلى جانب هذه المشاريع، هناك العديد من المبادرات الكبرى التي أُطلقت في المنطقة العربية.
- وتشمل السعودية والإمارات ودول الخليج الأخرى التي تمتلك ميزات جغرافية تعزز من إمكاناتها في تطوير قطاع الطاقة الشمسية.
- حيث تضع هذه الدول استراتيجيات واضحة تُسهم في بناء قطاع طاقة مستدام يُنافس على المستوى العالمي.
هذا كان عرضًا لآفاق الطاقة الشمسية وما يُتوقع أن تحققه من تطبيقات مستقبلية، ويسعدنا استقبال استفساراتكم حول الأبحاث والمشاريع ذات الصلة من خلال التعليقات أدناه.
