مصادر الطاقة البديلة: الطاقة الشمسية

عندما نفكر في مصادر الطاقة المتجددة، فإن الشمس هى أول مصدر يتبادر إلى الأذهان. فضوء الشمس دافئ، وساطع، ومتاح بشكل دائم. لكن المشكلة هي: كيف نحصل على الطاقة من ضوء الشمس ونحولها إلى أشكال يستطيع الناس استخدامها، مثل الماء الساخن، أو البخار، أو الكهرباء.

فنحن نعرف منذ القرن السابع قبل الميلاد تقريبًا، أننا إذا ركزنا أشعة الشمس من خلال عدسة مكبرة، فإن ذلك من شأنه أن يتسبب في إشعال النار. ولقد استخدم كلٌ من اليونانيين، والرومان، والصينيين المرايا لتركيز وعكس ضوء الشمس على المشاعل في المناسبات الدينية. ولكن توليد الطاقة على مستوى أكبر يكون أكثر تعقيدًا.

مصدر الصورة NREL, تغطي ألواح الطاقة الشمسية جانبًا واحدًا من سقف هذا البيت الجديد.

ولقد عمل العلماء والمخترعون عليه على مدار 200 عام. ولكن في السبعينيات من القرن العشرين بدأت أسعار الوقود الحفري في الارتفاع. وفي هذا الوقت نفسه، كانت هناك مخاوف متزايدة بشأن تأثر المناخ بالتلوث الذي يسببه الوقود الحفري. ولزمن طويل كانت الطاقة الشمسية غير فعالة. وكانت أيضًا مكلفة من حيث تركيبها. ولم تصبح الطاقة الشمسية شائعة الاستخدام إلا بحلول الثمانينيات من القرن العشرين. وبالتدريج وببطء دخلت الطاقة الشمسية إلى جميع أنواع الاستخدامات اليومية. وأصبحت الوحدات الشمسية تمد كل شيء بالطاقة بدايةً من شبكات الطاقة الرئيسية في بعض المناطق إلى إنارة الشوارع، وحمامات السباحة، والآلات الحاسبة.

والطاقة الشمسية ليست مجرد نوع واحد من التكنولوجيا. ففي واقع الأمر هناك ثلاث طرق شائعة، وكل منها يتناسب تمامًا مع الاستخدامات الخاصة بها. وبعض هذه التقنيات قائم على مفاهيم تطورت منذ سنوات، وبعضها يعد تقنيات حديثة. فلنلق نظرة على كيفية تطور هذه التقنيات، وعلى ما هو متاح منها الآن.

التاريخ

لطالما انشغل العلماء بإمكانات الطاقة الشمسية على مر العصور. وكانت أولى محاولات استخدام التكنولوجيا لاستغلال طاقة الشمس في القرن التاسع عشر. ففي مطلع ستينيات القرن التاسع عشر، استطاع الفرنسي أوجست موشو أن يضع غلاية حديدية مملوءة بالماء تحت عدسة. وقام ضوء الشمس بتسخين الغلاية حتى وصل الماء الموجود بها إلى درجة الغليان. ووجد موشو أن إضافة عاكس من معدن مطلي قام بتركيز ضوء الشمس ورفع درجة حرارة الماء إلى درجة الغليان بسرعة أكبر. وأدى ذلك إلى زيادة كمية البخار الناتجة. وبإدخال تغييرات بسيطة على هذا النظام، استطاع أن يحصل على كمية بخار تكفي لإدارة محرك صغير. وكانت هذه الخطوة الأولى نحو المجمع الشمسي المعاصر.

مصدر الصورة Perlin /Butti Solar Archives, في أواخر الثمانينيات من القرن التاسع عشر، استطاع مساعد موشو، آبيل بيفر، أن يستخدم صحنًا شمسيًا ليدير آلة طباعة.

وفي أواخر السبعينيات من القرن التاسع عشر، قام ويليام آدامز، وهو موظف بريطاني في الهند، بتطوير أفكار موشو. فقام باستبدال العاكس المعدني اللامع بمجموعة من المرايا مرتبة بشكل شبه دائري حول الغلاية. وقامت هذه المجموعة من المرايا بتجميع وتركيز الضوء، على نحو رفع درجة حرارة الماء إلى الغليان بسرعة أكبر. ولا يزال تصميم آدامز مستخدمًا إلى الآن في صورة برج الطاقة. وقد ألف آدامز كذلك أول كتاب عن الطاقة الشمسية، أسماه: Solar Energy: A Substitute for Fuel in Tropical Countries

في بداية الثمانينيات من القرن التاسع عشر، قام المخترع الأمريكي تشارليز فريتس ببناء أول خلية شمسية مستخدمًا عنصر السلينيوم في ذلك. وقام هذا الجهاز بتحويل نسبة تقل عن 1% من الضوء إلى كهرباء، وهي نسبة غير فعالة وليست ذات نفع كبير.

وفي أواخر الثمانينيات من القرن التاسع عشر تمكن الفرنسي تشارلز تيلير من بناء مجمع شمسي مشابه إلى حد كبير للمجمّع الشمسي ذي اللوح المسطح المستخدم حاليًا. فقد وضع عشرة ألواح، كل لوح يتكون من لوحين من الحديد مثبتين معًا بإحكام. وقام بتوصيل هذه الألواح بأنابيب مملوءة بالنشادر. وكان اختيار تيلير للنشادر راجعًا إلى أنها تغلي أسرع من الماء. وبالفعل تسببت الحرارة الناتجة عن ضوء الشمس المنعكس على الألواح في تحويل النشادر إلى بخار النشادر. وأدار هذا البخار محرك مضخة مياه. بعد ذلك قام تيلير بتغليف الجزء العلوي من الجهاز بالزجاج وعزل الجزء السفلي منه ليزيد من الفاعلية. لكنه لم يتابع العمل على هذا المشروع أكثر من ذلك، بل اتجه لتطوير تكنولوجيا التبريد.

المجمِّع الشمسي ذو اللوح المسطح يقوم المجمّع الشمسي المسطح بتجميع ضوء الشمس لتسخين الماء في أنابيبه الداخلية. ومن ثم يتم استخدام الماء الساخن في تدفئة المنازل وأحيانًا في تدفئة حمامات السباحة.   انقر هنا للحصول على حركة.

في عام 1891 سجل كلارينس كيمب من مدينة بالتيمور بولاية ميريلاند براءة اختراع أول سخان مياه شمسي تجاري. وبدأ ذلك السخان بجهاز يسمى الصندوق الساخن - وهو عبارة عن صندوق معزول مطلي باللون الأسود من الداخل وله غطاء زجاجي. ونظرًا لعلمه بأن الأوعية المعدنية تسخن ما بداخلها، وضع كيمب خزان ماء معدنيًا داخل الصندوق الساخن. وساعدت الخصائص المتمثلة في صندوق معدني مغلق مطلي باللون الأسود، على جعل الماء داخل الخزان يحتفظ بحرارة النهار لمدة أطول من الماء في خزان لا يتمتع بهذه الخصائص.

بعد حوالي عشر سنوات من التجارب على المحركات الشمسية، تمكن أوبري إنيس من ولاية بوسطن من تأسيس شركة محركات شمسية، وهي Solar Motor Co، في عام 1900. وفي عام 1904 أعلن عن الجهاز الخاص به. والعاكس العملاق، الذي اتسع قطره ليصل إلى 10 أمتار (33 قدمًا)، احتوى على 1788 مرآة عاكسة. واستوعبت هذه الغلاية 378.5 لترًا (100 جالون) من المياه وأنتج طاقة بخارية تقدر بـ 2.5 حصان. وباع إنيس ماكينتين. لكن للأسف، لم تستطع هذه المحركات الشمسية الصمود أمام العواصف: فالمحرك الأول دُمّر في عاصفة هوائية، والثاني دمرته عاصفة برد.

المجمِّع الشمسي ذو القطع المكافئ يقوم المجمّع الشمسي ذو القطع المكافئ بتركيز أشعة الشمس على أنبوب في منتصف الحوض. ويحتوي هذا الأنبوب على سائل ناقل للحرارة. ويُستخدم السائل المُسخّن في تحويل الماء إلى بخار الذي يقوم بدوره بإدارة مولد بخاري. وتتحرك الأحواض مع حركة الشمس لتجميع أكبر قدر ممكن من الطاقة كل يوم.   انقر هنا للحصول على حركة.

في عام 1912، قام المقاول الأمريكي فرانك شومان ببناء أول محطة طاقة شمسية ليدير مضخة ري في صحراء مصر خارج القاهرة. وقامت شركته للطاقة الشمسية ببناء صفوف متتالية من أحواض التجميع على شكل قطع مكافئ مهمتها تركيز الطاقة الشمسية على أنابيب مملوءة بالماء ومغلفة بالزجاج. وفي ذلك النظام الذي يشبه محطات الطاقة الشمسية الحديثة على نحو مذهل، تحولت المياه في الأنابيب إلى بخار، وذلك البخار أدار مضخة مياه. ونجحت محطة شومان أثناء فترة الاختبارات، ولكن قبل بدء التشغيل الفعلي، اندلعت الحرب العالمية الأولى. ودُمّرت المحطة أثناء المعارك التي دارت في شمال إفريقيا.

مصدر الصورة Perlin /Butti Solar Archives, قام المهندس الأمريكي فرانك شومان ببناء المُجمّعات ذات القطع المكافئ في مصر عام 1912.

وبعد الحرب العالمية الثانية، تراجع الاهتمام بالطاقة الشمسية. فقد كان الوقود الحفري متاحًا وغير مكلف. وتوقفت التنمية التجارية لتقنيات الطاقة الشمسية. ومع ذلك، استمرت الأبحاث على الطاقة الشمسية. فالأنظمة المُستخدمة الآن، أو تلك التي تحت التطوير، قائمة على أعمال هؤلاء الرواد الأوائل وإنجازاتهم في مجال الطاقة الشمسية.

المجمعات الشمسية المركزة

تستخدم المجمعات الشمسية المركزة المرايا لتجميع وتركيز ضوء الشمس لتوليد كميات كبيرة من الكهرباء. فيقوم ضوء الشمس المُجمّع بتسخين الماء أو بعض السوائل الأخرى لإنتاج البخار. ويقوم البخار بتدوير مولد يقوم بدوره بإنتاج الكهرباء. وتتنوع كميات الطاقة التي تنتجها أنظمة المجمّع الشمسي. فالأنظمة الأصغر بإمكانها إنارة قرية ريفية كاملة. أما الأنظمة الأكبر، فيمكنها إمداد محطة طاقة أساسية في إقليم ما بالكهرباء.

مصدر الصورة NREL, مخطط حوض على شكل قطع مكافئ.

مصدر الصورة DOE. نظام حوض على شكل قطع مكافئ قائم على الأرض.

هناك ثلاثة أنواع للمجمّعات الشمسية. وتستخدم محطات الطاقة الشمسية الكبيرة أحواضًا ذات قطع مكافئ طويلة لجمع وتركيز ضوء الشمس وتحويله إلى طاقة. وتنتظم الأحواض على محور شمالي - جنوبي لتتبع حركة الشمس. ويوجد في مركز الحوض أنبوبة ممتلئة بسائل ناقل للحرارة، غالبًا ما يكون زيتًا. ويقوم الحوض الانعكاسي هذا بتركيز حرارة الشمس على الأنبوبة. ومن ثم يقوم السائل الساخن بتسخين الماء ليتحول إلى بخار. وهذا البخار يقوم بتدوير مولد بخاري. ويتم ترتيب الأحواض في صفوف متوازية لتكون مجالا تجميعيًا. وبعض المحطات يكون لديها قدرات تخزينية لحفظ الطاقة الحرارية ليتم استخدامها أثناء الليل. وتقوم أنظمة الأحواض الكبيرة بتوليد طاقة تصل إلى 80 ميجاوات. وهذا يُعد كافيًا لتشغيل محطة طاقة أساسية لمنطقة كاملة!

أما نظام محرك الصحن المضغوط، فإنه يستخدم مجموعة من المرايا مرتبة على شكل صحن. ويتحرك هذا الصحن مع حركة الشمس، فيجمع ويركز الطاقة الشمسية. وتقوم المرايا بتركيز تلك الطاقة على مستقبل. ويقع ذلك المستقبل في النقطة البؤرية للصحن، ويحتوي على وسيط ناقل للحرارة - إما أنابيب مملوءة بالهيدروجين أو غاز الهيليوم أو مملوءة بسائل يغلي حتى يتحول إلى غاز ثم يتكثف - لنقل الحرارة إلى محرك صغير، غالبًا يسمى محرك ستيرلينج. وذلك المحرك مركب أيضًا في النقطة البؤرية، ويقوم بإنتاج طاقة ميكانيكية لتدوير مولد وإنتاج الكهرباء. ويعمل نظام محرك الصحن بكفاءة تصل إلى حوالي 30%، وهو أكثر المجمعات الشمسية كفاءة.

مصدر الصورة وزارة الطاقة الأمريكية (DOE). رسم تخطيطي لنظام محرك الصحن.

مصدر الصورة مختبرات سانديا الوطنية نظام محرك صحن شمسي قائم على الأرض.

يرتكز برج الطاقة الشمسية الطويل في منتصف المرايا المرتبة لتتبع الشمس وتركز ضوءها على مستقبل في أعلى ذلك البرج. وتكوّن المرايا التي تسمي هيليوستات ترتيبًا دائريًا متحركًا حول البرج. ويقوم سائل النقل الحراري داخل المستقبل بتوليد البخار لتدوير مولد. وفي أبراج الطاقة المستخدمة في وقت سابق، كان سائل النقل الحراري هو البخار. والآن حلت أملاح النترات الذائبة محل البخار، وذلك لأنها أفضل في نقل الحرارة وتخزينها للاستخدام في وقت لاحق. ويمكن لمحطات برج الطاقة أن تنتج مقدار طاقة يتراوح ما بين 50 و 200 ميجاوات. ويخضع استخدام برج الطاقة للتجربة في جنوب إفريقيا، وفي أجزاء أخرى من العالم أيضا.

مصدر الصورة Energy Information Administration. يستخدم برج الطاقة الشمسية مرايا على الأرض تركز ضوء الشمس على المستقبل في أعلى ذلك البرج.

مصدر الصورة DOE. استخدام برج طاقة شمسية تجريبي.

الأنظمة الشمسية الفولتية الضوئية

تستخدم أنظمة الطاقة الشمسية الفولتية الضوئية (PV) أشباه الموصلات - نفس المواد التي تستخدم في تصنيع رقائق الكمبيوتر الإلكترونية - في توليد الكهرباء من ضوء الشمس. وتعد الخلية الفولتية الضوئية هي الأساس للنظام الفولتي الضوئي. وتتكون هذه الخلية من رقاقتين متلاصقتين من أشباه الموصلات، تحتويان على المواد الكيماوية اللازمة لتوليد مجال كهربائي. وعندما يقع ضوء الشمس على سطح الخلية الفولتية الضوئية، يحرك المجال الكهربائي الإلكترونات في اتجاه محدد. ويؤدي ذلك إلى توليد تيار كهربائي. وتنتج كل خلية وات أو اثنين فقط. لكن يمكن أن توضع الخلايا مع بعضها البعض في وحدات للحصول على مزيد من الطاقة؛ وللاستخدامات الأكبر، يمكن الربط بين الوحدات في صورة مجموعات مرتبة. ويمكن لكل مجموعة أن تحتوي على وحدة أو وحدتين، بناءً على كم الطاقة المطلوبة. وتعمل الأنظمة الفولتية الضوئية بكفاءة 10%، ومن المنتظر أن تزيد الأبحاث التي تجرى الآن من هذه الكفاءة لتصل إلى 20%.

مصدر الصورة Florida Solar Energy Center. رسم تخطيطي للخلية الفولتية الضوئية.

تم تطوير الخلية الفولتية الضوئية في عام 1953. وبعد خمس سنوات من الأبحاث والتطوير، تم استخدام الخلايا الفولتية الضوئية المصنعة من السيليكون والمقاومة للإشعاع في الأقمار الصناعية. وكان القمر الصناعي الأمريكي فانجارد 1، الذي أطلق في 17 مارس، 1958، يعمل بطاقة فولتية ضوئية. ومعظم الكهرباء المستخدمة في الفضاء الآن مصدرها هو الخلايا الفولتية الضوئية. أما على الأرض، فإنه يشيع استخدام طاقة الخلايا الفولتية الضوئية في الآلات الحاسبة التي تعمل بالطاقة الشمسية، وفي إنارة الشوارع، وفي العلامات الإرشادية في الطرق. ولكن يمكن تصميم الأنظمة الفولتية الضوئية بأي حجم، بناءً على كم الكهرباء المطلوبة. ويجري تطوير منتجات مثل الأسقف الفولتية الضوئية المستخدمة في دعم الطاقة التقليدية. ويعمل العديد من الأنظمة الفولتية الضوئية بالمرافق المحلية أو نظام البطارية، وذلك لضمان الطاقة الاحتياطية أثناء الليل أو في الأيام الغائمة.

الأنظمة الشمسية الحرارية

الطاقة الشمسية - الخلية الفولتية الضوئية تنتج الخلية الفولتية الضوئية الطاقة من الشمس من خلال تفاعلات فيزيائية. وتحتوي الخلية على أشباه موصلات تولد تيارًا كهربائيًا عندما يسقط عليها ضوء الشمس. والخلايا المفردة لا تولد الكثير من الكهرباء، لكن يمكن وضع الخلايا في مجموعات مرتبة وبأي حجم مطلوب.   انقر هنا للحصول على حركة.

تقوم الأنظمة الشمسية الحرارية بتسخين الماء في حمامات السباحة، أو المنازل، أو المكاتب. وهناك نوعان من المجمعات: المجمعات ذات اللوح المسطح والمجمعات ذات الأنبوب المفرغ.

أما المجمعات ذات اللوح المسطح، فإنها تناسب الاستخدامات المنزلية البسيطة، مثل تسخين الماء أو تدفئة الهواء. ويتكون الجهاز من صندوق معدني معزول يحتوي على لوح ماص مصنوع من النحاس أو الألومونيوم ومطلي بلون داكن. واللون الداكن للوح الماص هو عبارة عن طلاء خاص يمتص الحرارة ويحتفظ بها على نحو أفضل من المعدن غير المطلي أو المطلي باللون الأسود المعتاد. ويغطي الصندوق غطاء من الزجاج أو البلاستيك المصقول. ويسقط ضوء الشمس على المجمع ذو اللوح المسطح ويقوم بتسخين اللوح الماص.

مصدر الصورة (أدناه وأسفل اليسار) DOE. وتستخدم المجمعات ذات اللوح المسطح لتسخين الماء في المنازل أو في تركيب أجهزة التدفئة الهيدرونية.

مصدر الصورة The Solarserver, رسم توضيحي للمجمع الشمسي ذي اللوح المسطح.

يعتمد اختيار الوسيط المستخدم بين الغطاء المصقول واللوح الماص على ما إذا كان المجمع ذو اللوح المسطح سائلاً أو مجمع ذو لوح مسطح هوائي. ويحتوي المجمع ذو اللوح المسطح السائل، والذي يستخدم في تسخين الماء، على حامل من الأنابيب يستقر على اللوح الماص. وتحتوي الأنابيب على ماء تم تسخينه بواسطة اللوح الماص. ويمكن استخدام الماء المسخن هذا في المنازل أو حمامات السباحة. والمجمعات ذات اللوح المسطح المستخدمة في حمامات السباحة الخارجية عادةً تكون غير مغطاة لتقليل النفقات. وذلك لأن ماء حمامات السباحة يتطلب أن يكون أكثر دفئا من درجة حرارة الهواء المحيط به بمقدار طفيف؛ أما حمامات السباحة الداخلية والمنتجعات الصحية، فإنها تستخدم مجمعات مغطاة وهى ذات تكلفة أعلى. أما المجمعات ذات اللوح المسطح الهوائية، فإنها تحتوي على لوائح من المعدن أو تلتصق بالألواح الماصة، لتسخين الهواء في المجمع. وهذه المجمعات تستخدم في تدفئة الهواء، وهي عادة أقل كفاءة من المجمعات ذات اللوح المسطح السائلة. وتقوم المجمعات ذات اللوح المسطح بتسخين السائل أو الهواء لدرجة حرارة أقل من 180 فهرنهايت (82.2 سيليزيوس). وهذه المجمعات يتم إعدادها في مجموعات، لذا فإن حجم النظام يعتمد على كمية الماء الساخن المطلوبة، سواء لحمام سباحة، أو لمنزل، أو لمبنى مكتبي.

مصدر الصورة DOE. تُستخدم المجمعات ذات اللوح المسطح الهوائية في تدفئة الهواء.

تستطيع المجمعات ذات الأنبوب المفرغ أن تسخن الهواء لدرجة حرارة تتراوح بين 77 إلى 177 درجة مئوية (170 إلى 350 درجة فهرينهايت). وهذا يعني أنها تنتج طاقة أكبر من المجمع ذي اللوح المسطح القياسي. وتتكون الأنظمة ذات الأنبوب المفرغ من صفين متوازيين من الأنابيب الزجاجية. وتحتوي كل أنبوبة زجاجية على أنبوبة أخرى بداخلها. وهذه الأنبوبة الداخلية هى الأنبوبة الماصة، وتكون مصنوعة من معدن مطلي بدهان ماص للحرارة. ويتحول ضوء الشمس إلى طاقة حرارية، يتم نقلها إما مباشرة للماء المخزن أو إلى السائل الذي يقوم بتسخين الماء. والمجمعات ذات الأنبوب المفرغ تستخدم في تدوير تطبيقات التبريد وأيضًا في التطبيقات الصناعية أو التجارية.

والميزة الفريدة التي يتمتع بها النظام ذو الأنبوب المفرغ هي أن المساحة بين الأنبوبتين عبارة عن فراغ من الهواء. وهذا الفراغ يعطي نوعًا من العزل، مما يحافظ على الحرارة الشمسية المجمعة داخل الأنابيب لمدة أطول. وهذا يعني أن الأنابيب تفقد أقل مقدار فقط من الحرارة للبيئة المحيطة. وهذا النوع من النظام يمكن استخدامه في المناخ البارد أو المناطق ذات الجو الغائم.

مصدر الصورة (أعلاه وأعلى اليسار) DOE. كما أن المجمعات ذات الأنبوب المفرغ تعمل بكفاءة في درجات الحرارة العالية.

مصدر الصورة Sol Heat Ltd, نظام تسخين شمسي ذو أنبوب مفرغ مركب على سطح.

كما هو الحال في الأنظمة الفولتية الضوئية، تكون حرارة الزيت أو الغاز الطبيعي هي مصدر الطاقة الاحتياطي للأنظمة الشمسية الحرارية، للحفاظ على مستوى سخونة الماء المطلوب.

قضايا

إن أكبر عقبة تقف في طريق الطاقة الشمسية منذ سنوات هي تكلفة التركيب؛ وهذا صحيح حتى الآن. فمعدات الطاقة الشمسية تكلف أكثر من معدات الطاقة التقليدية. ويستغرق الأمر سنوات كثيرة لجني نتائج هذا الاستثمار. فمثلاً، يزيد ثمن النظام ذي الأنبوب المفرغ مرتين عن ثمن المجمع ذي اللوح المسطح. وبالإضافة إلى ذلك، فإن عمر الأنظمة عشرون عاما تقريبا. وفي الولايات المتحدة، قد تقدم كل ولاية خصومات للأشخاص الذين يتحولون لاستخدام أي من منتجات التسخين باستخدام الطاقة الشمسية.

خطط مستقبلية

لا تزال الإضاءة الشمسية الهجينة تحت التطوير. وهذه التكنولوجيا تستخدم مجمعات مركبة على السطح لنقل الطاقة مباشرة إلى كابلات من الألياف البصرية، والتي يتم توصيلها بتركيبات ضوء خاصة مركبة في الحجرة. وتنتج هذه التركيبات الخاصة بعد ذلك الضوء. هذا النظام يتم توصيله بنظام كهربائي تحسبًا للأيام الغائمة. وهو يوفر الكهرباء، خاصة في الأوقات التي يزيد فيها استخدم الطاقة.