حتى الآن، تُعتبر الألواح الشمسية أجهزةً شائعةً لتوليد الكهرباء من مصادر متجددة. ماذا لو أخبرتك أن هناك طرقًا أخرى أيضًا؟ نعم، تُحوّل طاقة الشمس بخمس طرق مختلفة، منها الخلايا الكهروضوئية. وتستخدم طرقٌ مختلفةٌ لجمع الطاقة الشمسية الطاقة الحرارية لأغراضٍ متنوعة، بدءًا من الاستخدامات الفردية وصولًا إلى الاستخدامات التجارية والصناعية.
ما هو حصاد الطاقة الشمسية؟
حصاد الطاقة الشمسية هو طريقة لتوليد الكهرباء من الحرارة والطاقة الشمسية. تعتمد جميع الطرق والتقنيات بشكل أساسي على ضوء الشمس لتوليد الطاقة. يُقلل حصاد الطاقة الشمسية الاعتماد على الوقود الأحفوري لإنتاج الكهرباء، وهو مفيد على المدى الطويل. تُؤدي الابتكارات الجديدة إلى أساليب وتقنيات أكثر كفاءة لحصاد الطاقة الشمسية. بالإضافة إلى الطرق، ستتعرف على تقنية حصاد الطاقة الشمسية المستخدمة، وتأثير حجم الألواح الشمسية، بالإضافة إلى إيجابيات وسلبيات هذه الأساليب.
ما هي الطرق المختلفة لحصاد الطاقة الشمسية؟ ما هي أجهزة حصاد الطاقة الشمسية؟
حصاد الطاقة الشمسية هو عملية التقاط وتخزين الطاقة الشمسية المُشعّة من الشمس. بعد ذلك، تُحوّل هذه الطاقة الحرارية والضوئية إلى طاقة كهربائية باستخدام طريقة مناسبة. هناك حوالي خمس طرق مختلفة لحصاد الطاقة الشمسية، وتُسمى أحيانًا أجهزة حصاد الطاقة الشمسية.
1. الأجسام السوداء
أنت تعلم أن اللون الأسود يمتص معظم الطاقة الحرارية، وهذه طريقة أخرى لجمع الطاقة الشمسية. يمتص اللون الأسود الإشعاع الكهرومغناطيسي من الشمس، بالإضافة إلى طيف الأشعة تحت الحمراء، بنشاط. تتحول طاقة الشمس إلى طاقة حرارية من خلال هذا الإشعاع. الأجسام أو الحاويات والأجهزة السوداء قادرة على... امتصاص وإصدار جميع الأطوال الموجية طيف الإشعاع الكهرومغناطيسي. تُستخدم هذه الطريقة لتدفئة المنازل، وغالبًا لتسخين المياه على المستوى الصناعي.
2. الطاقة الحرارية للملح المنصهر
تستخدم هذه الطريقة لحصاد الطاقة الشمسية الإشعاع الكهرومغناطيسي لصهر الملح. يُنقل الملح المصهور إلى مبادل حراري لتسخين الماء وتحويله إلى بخار. يُدفع هذا البخار عبر توربينات تُولّد الكهرباء. كما تُتيح الخزانات المعزولة توليد طاقة حرارية مستقرة في الأيام الغائمة.
3. الألواح الشمسية الكهروضوئية
هذه هي الطريقة الأكثر شيوعًا لتحويل طاقة ضوء الشمس إلى كهرباء. تُستخدم ألواح شمسية بأحجام مختلفة لهذا الغرض. تعتمد كمية الطاقة المولدة على عدد الألواح وكفاءتها. أحادي البلورية أو متعدد البلورات تُستخدم هياكل الألواح عادةً جنبًا إلى جنب مع العاكسات وبنوك البطاريات لتوفير تدفق الطاقة بعد غروب الشمس.
4. سخان المياه بالطاقة الشمسية
تجمع الألواح الشمسية الحرارية الطاقة الشمسية لهذه السخانات. تستخدم المناطق ذات المناخ المشمس هذه الطريقة لجمع الطاقة الشمسية. يشبه جسم السخان الأسود اللوح الكهروضوئي، حيث السطح الأسود يمتص الطاقة الحرارية بكفاءة. تقوم مضخة بتدوير الماء البارد داخل الوعاء الذي يمتص الحرارة الممتصة، مما يؤدي إلى تبريد الحاوية وتسخين الماء.
هناك نظام آخر لا يحتوي على مضخة، بل يستخدم الطفو الناتج عن تسخين الماء. بهذه الطريقة، يهبط الماء البارد، ويبقى الماء الدافئ في الأعلى، وتنخفض كمية التدفق. تُعرف هذه الحالة باسم طهرمسبه.
5. سخان المياه الشمسي الأنبوبي المفرغ أو المفرغ
إنها طريقة أخرى لجمع الطاقة الشمسية، وهي نسخة مُحسّنة من سخان المياه الشمسي التقليدي. الأنابيب المفرغة ضمان دخول الطاقة الإشعاعية إلى النظام بالإضافة إلى احتواء الطاقة الحرارية. تُمتص هذه الطاقة الحرارية عبر أنابيب حرارية وتُنقل إلى خزانات مياه كبيرة. يتم التخلص من أقل قدر ممكن من الطاقة الحرارية بفضل الأنابيب المفرغة، وتتحول جميع الطاقة الإشعاعية الممتصة تقريبًا إلى طاقة حرارية. بعد ذلك، لنتعرف على تقنية حصاد الطاقة الشمسية.
اقرأ أيضا: تقنية القضبان المتعددة في الألواح الشمسية
ما هي تكنولوجيا حصاد الطاقة الشمسية؟
هناك ثلاث تقنيات أساسية لحصاد الطاقة الشمسية وهي كما يلي:
1. الطاقة الشمسية المركزة (CSP)
تستخدم تقنية حصاد الطاقة الشمسية هذه الحرارة الحرارية (حرارة الشمس) لتشغيل السيارات الكهربائية توربينات على نطاق المرافق. تُستخدم المرايا لتركيز ضوء الشمس الذي يدفع المحركات البخارية أو التوربينات التقليدية ويولد الكهرباء. يُعدّ الحوض المكافئ، ومحرك الطبق، وعاكس فرينل الخطي المدمج، وبرج الطاقة طرقًا مختلفة لتطبيق مبدأ تركيز الطاقة الشمسية.
a) حوض ذو قطع مكافئ
يستخدم مرايا منحنية لتركيز طاقة الشمس على أنبوب استقبال يمر عبر مركز حوض. يُملأ سائل ناقل للحرارة عالي الحرارة، مثل الزيت الصناعي، داخل أنبوب الاستقبال، ويمتص الطاقة الحرارية وتصل درجة حرارته إلى 750 درجة فهرنهايت أو أكثر. تُمرَّر هذه الحرارة عبر مبادل حراري يُسخِّن بدوره الماء لإنتاج البخار. تبدأ توربينات البخار التقليدية بالعمل عند مرور البخار عبرها. يتراوح ارتفاع كل نموذج من المجمعات بين 15 و20 قدمًا، ويتراوح طوله بين 300 و450 قدمًا تقريبًا.
ب) محرك الطبق
يتم تغطية سطح الطبق المكافئ بـ مرايا موزعة بالتساوي تستقبل الطاقة الحرارية من نقطة محورية ثابتة. يُسخّن سائل عامل، مثل الهيدروجين، في جهاز الاستقبال حتى 1200 درجة فهرنهايت، مما يُشغّل المحرك. يدور كل طبق مكافئ على محورين ويتتبع الشمس طوال اليوم.
ج) عاكس فرينل الخطي المدمج (CLFR)
يستخدم أيضا مرايا منحنية بنظام الحوض من خلال مرايا مسطحة منخفضة التكلفة في صفوف طويلة متوازية. المستقبلات المرتفعة هي نقطة تركيز الطاقة الحرارية، مقترنة بنظام أنبوبي يتدفق عبره الماء. باستخدام هذه التقنية في أساليب حصاد الطاقة الشمسية، يُغلى الماء بواسطة الطاقة الحرارية المركزة، ويُستخدم البخار الناتج في توليد الطاقة، بالإضافة إلى تطبيقات البخار الصناعية.
د) برج الطاقة
يستخدم نظام استقبال مركزي عالي الكفاءة وقادر على العمل في درجات حرارة التشغيل العاليةتُستخدم المرايا الهليوستاتية (وهي مرايا يتم التحكم بها حاسوبيًا) لتتبع الطاقة الحرارية على مدار اليوم وتركيزها على جهاز الاستقبال في أعلى برج عالٍ. تُسخّن هذه الطاقة الحرارية سائلًا ناقلًا إلى أكثر من 1000 درجة فهرنهايت لإنتاج بخار يُشغّل بدوره مولد طاقة مركزيًا.
انظر أيضا: هل تحتاج لوحة الطاقة الشمسية Ring إلى ضوء الشمس المباشر؟
2. الطاقة الكهروضوئية (PV)
يُحوَّل الضوء مباشرةً إلى كهرباء بهذه الطريقة. تصطدم فوتونات ضوء الشمس بمواد أشباه الموصلات في الألواح الشمسية وتُؤيِّنها، مما يُكسر الروابط الذرية للإلكترونات ويهتز بحرية. يُجبر هيكل أشباه الموصلات الإلكترونات على الحركة في اتجاه واحد، مُولِّدًا تيارًا كهربائيًا. مع ذلك، تُمتص نسبة مُحددة فقط من الضوء، بينما ينعكس الباقي. من أنواع تقنيات الطاقة الكهروضوئية الأخرى: بناء الخلايا الكهروضوئية المتكاملة، ومصفوفات الخلايا الكهروضوئية المُركَّزة، والخلايا الكهروضوئية ذات الأغشية الرقيقة.
أ) الطاقة الشمسية الكهروضوئية المتكاملة في المباني (BIPV): يُولّد هذا النظام الكهرباء للاستخدام في الموقع، أو يُمكن تصديرها إلى الشبكة. وهو يُؤدي غرضًا مزدوجًا، وهو توليد الكهرباء، بالإضافة إلى كونه الطبقة الخارجية للهيكل.
ب) تركيز المصفوفات الكهروضوئيةيُستخدم هذا النظام بشكل رئيسي في المناطق الصحراوية، ويستخدم المرايا والعدسات لتركيز الطاقة الشمسية على خلايا عالية الكفاءة. ويتطلب النظام ضوء الشمس المباشر ونظام تتبع لضمان سلاسة عمله.
ج) الخلايا الكهروضوئية ذات الأغشية الرقيقةهذه الطريقة أقل تكلفة من بدائلها، وغالبًا ما تُطوّر تقنيات تجريبية. وهي نوع من الخلايا الشمسية رقيق وأقل كفاءة. تؤدي هذه الخلايا نفس الغرض، ولكن بمعدل أبطأ.
3. نظام التدفئة والتبريد بالطاقة الشمسية (SHC)
تجمع هذه التقنية الطاقة الحرارية لتسخين الماء والهواء، بالإضافة إلى تبريد الماء والهواء. وتُستخدم في هذه التقنية تقنيات تسخين المياه بالطاقة الشمسية، والطاقة الشمسية الكهروضوئية مع التقنية الحرارية، وتقنية الهواء بالطاقة الشمسية.
أ) تكنولوجيا الهواء الشمسي
بفضل هذه التكنولوجيا في أساليب حصاد الطاقة الشمسية، أصبح الهواء في المباني التجارية والصناعية يتم تسخينها وتخدم غرض تدفئة المكان إلى جانب التجفيف الزراعي. غالبًا ما يُثبَّت النظام على الحائط، مما يسمح بامتصاص أقصى قدر من الإشعاع الشمسي خلال فصل الشتاء، خاصةً.
على جدار جنوبي، تُركّب ألواح تجميع شمسي مثقبة على بُعد عدة بوصات لإنشاء تجويف هوائي. من الجدار، يُسحب الهواء العلوي ويُسخّن في درجات حرارة تتراوح بين 30 و100 درجة فهرنهايت في يوم مشمس. يُنقل هذا الهواء الساخن عبر وصلة إلى مدخل نظام التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC).
ب) الطاقة الشمسية الكهروضوئية مع التكنولوجيا الحرارية (PVT)
تُستخدم وحدة الألواح الشمسية المُحسّنة على السطح لتسخين المياه وتوليد الكهرباء. ولتحسين إنتاج الكهرباء، يُبرّد مُجمّع حراري كهروضوئي مُكوّنات الألواح الكهروضوئية الكهربائية ويُوفّر الطاقة الحرارية في الوقت نفسه. وبفضل قدرتها على إنتاج طاقة تفوق طاقة الألواح الكهروضوئية بأربعة أضعاف، يتم زيادة الناتج الكهربائي بنسبة تصل إلى 20٪ ويمكن أن يتراوح حجم النظام من صغير إلى صناعي.
ج) تقنية تسخين المياه بالطاقة الشمسية
يتكون النظام من خزان مياه ساخنة، وأنابيب معزولة، ومجمع شمسي، وهي عناصر رئيسية، مُجهزة بأنظمة تحكم إلكترونية وأنظمة حماية من التجمد للمناطق الباردة. تُنقل الحرارة المُجمعة من الطاقة الحرارية إلى مياه شرب تتدفق إلى خزانات المياه الساخنة. وللحصول على مصدر احتياطي، تبقى التدفئة الإضافية متصلة بخزان المياه الساخنة. بعد ذلك، دعونا نتعرف على تأثير حجم الألواح الشمسية على حصاد الطاقة.
انظر أيضا: ما هي أنواع الألواح الشمسية الأربعة؟
ما هو تأثير حجم الألواح الشمسية على حصاد الطاقة؟
يؤثر حجم الألواح الشمسية على إنتاج الطاقة بشكل مباشر على كفاءتها. نعم، حجم الألواح الشمسية قد تزيد أو تنقص كفاءتها، مما يؤثر على حصاد الطاقة الشمسية. وبالمثل، فإن الألواح الشمسية غير النظيفة تعني مساحة سطحية أقل، مما قد يؤثر أيضًا على الحصاد. معايير الكفاءة هي كما يلي:
1. المساحة (الكثافة)يقيس هذا المؤشر إنتاج الطاقة بالواط لكل قدم مربع. وهذا يعني أن الألواح الكبيرة ذات القدرة الأعلى تُنتج طاقة أكبر.
2. الخليةتُقاس كفاءة الخلية أيضًا من خلال قدرتها. وبالتالي، كلما زادت الخلايا، زادت الكفاءة، وزادت الطاقة الشمسية المُستَخرَجة.
3. وحدةهذه هي الكفاءة الكلية للألواح أو الوحدات الشمسية. اللوح ذو الكفاءة 15% يعني أنه يمتص 15% فقط من إجمالي الطاقة الشمسية الساقطة عليه. لذلك، تميل الوحدات الشمسية الأكثر كفاءة إلى جمع طاقة أكبر.
ما هي مزايا وعيوب تقنيات حصاد الطاقة الشمسية؟
بعد التعرف على طرق حصاد الطاقة الشمسية، من الأفضل أن تكون على دراية بإيجابياتها وسلبياتها. على الرغم من كونها مصدرًا نظيفًا لتوليد الطاقة، ميزة، لا تزال هناك بعض العيوب.
1. مزايا تقنيات حصاد الطاقة الشمسية
- يتم تقليل البصمة الكربونية باتباع نهج أكثر مراعاة للبيئة.
- أصبحت التكنولوجيا متقدمة وناضجة مع الابتكارات الجديدة لتحقيق كفاءة أفضل.
- منتج الطاقة المستدامة
2. العيوب تقنيات حصاد الطاقة الشمسية
- ليست خالية تمامًا من التلوث حيث تنبعث الغازات المسببة للاحتباس الحراري أثناء تصنيع الألواح الشمسية السيليكونية.
- يعتمد المصنعون على بلدان أخرى للحصول على المواد الخام، مما يؤدي إلى سلاسل توريد طويلة.
- تُقلل الألواح الثقيلة والصلبة من استخداماتها. كما تُشكل المساحة والتكاليف اللازمة عائقًا.
عادةً ما تُنفَّذ طرق تجميع الطاقة الشمسية على نطاق واسع، ولكن يمكنك دائمًا اختيار نسخة صغيرة الحجم لمنزلك أو مكتبك. تتوفر خيارات في السوق. كما أن أجهزة تجميع الطاقة الشمسية لبعض الطرق متوفرة بسهولة ويتم تركيبها للاستخدام المنزلي. ومع ذلك، يتطلب تركيبها على نطاق صغير ألواحًا شمسية لضمان إنتاج طاقة أفضل.
