كيفية تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية

مالك يونس
يقول الله عز وجل في كتابه الكريم "سبحان الذي خلق الأزواج كلها مما تنبت الأرض ومن أنفسهم ومما لا يعلمون".

بداية لنتعرف ما هي الكهرباء والذرة.

الكهرباء هي حركة تدفق الالكترونات بعد تحررها من مداراتها حول الذرة. لنتصور ما هي الكهرباء والذرة، علينا فقط أن نتطرق إلى موضوع الزوجية الذي هو أساس النظام الشمسي.

 
يقوم النظام الزوجي على مبدأ الجاذبية بحيث تقوم النواة بجذب الأطراف إليها مما يؤدي لدورانها حولها، فمثلا تقوم الشمس بجذب الأرض وباقي الكواكب إليها، وكلما ابتعدت المسافة بين المركز والأطراف كلما سهل على الأطراف التحرر من مداراتها حول المركز.

هذا المبدأ يطبق على كل ذرات الوجود، فتتألف الذرة من نواة مشحونة إيجابيًا تدور حولها الإلكترونات المشحونة سلبيًا، فكلما تعرضت هذه الذرات إلى طاقة ما، تبدأ الإلكترونات البعيدة عن المركز بالتحرر والتدفق لتشكيل الحركة الكهربائية.
 
 

الشمس هي كوكب مستعر بفعل التفاعلات النووية التي تحدث فيها ما يجعلها تمد مجموعتنا الشمسية بكمية هائلة من الطاقة، هذه الطاقة تصلنا عبر الفوتونات الضوئية التي تحمل طاقة كهرومغناطيسية.
 
تتألف ألواح الطاقة الشمسية من مادة السيليكون المصنوعة من الرمل على درجة حرارة معينة بطريقة تسمح لها أن تكون مادة شبه موصلة (Semi Conductor) أي أنها تمتلك خصائص المعادن لسهولة توصيل الكهرباء وتمتلك أيضًا خصائص المواد العازلة في عزلها للكهرباء.

يحتوي اللوح على نوعين من هذه المادة:
1. طبقة سيليكون سالبة الشحنة (n type) لاحتوائها على إلكترونات إضافية.
2. طبقة سيليكون موجبة الشحنة (p type) لفقدانها إلكترونات.
بين هاتين الطبقتين السالبة والموجبة يوجد ممر بينهما ما يعرف بـ (p-n junction)

عندما يسقط الضوء محمولًا بالطاقة الكهرومغناطيسية على هذا الممر الوسطي بين الطبقتين يدفع السيليكون على تحرير الالكترونات الى الطبقة الأولى (n layer) وتتوجه السيليكون الفاقدة للإلكترون التي أصبحت موجبة الآن إلى الطبقة الثانية الموجبة .(p layer)
بينما يستمر تدفق الإلكترونات عبر هذا الممر إلى الطبقة الأولى وتتدفق الشحنات الموجبة إلى الطبقة الثانية الموجبة، يصبح هذا الممر كالبطارية وينتج عن هذا الفرق بين الشحنات السالبة والموجبة قوة جاذبة لهذه الأزواج لرغبتها في العودة والاندماج من جديد. هذا الجهد بين الزوجين يعرف بالـ voltage. الآن اذا قمنا بتوصيل حمل بين هذا الممر فسيحدث تتدفق للإلكترونات مرورًا بالحمل (المنزل) من أجل أن تعود الإلكترونات الفالتة الى ذراتها بعد فراق حصل بينهما بسبب استقبال الطاقة الشمسية.

أنواع ألواح الطاقة الشمسية

1. الألواح الشمسية أُحادية البلورة (MonoCrystalline): 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.

2. الألواح الشمسية الكريستالية (Polycrystalline): تُعد هذه الألواح أقل سعراً من الألواح الشمسية أُحادية البلورة، إلَّا أن كفاءتها أقل وعمرها أقصر.

3. الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة (Thin Film): تتسم هذه الخلايا بسهولة صُنعها، وسعرها المنخفض جداً، إلّا أن عمرها قصير وكفاءتها هي الأقل نسبةً إلى الألواح الشمسية الأُخرى.

أنواع  المحولات (solar Inverters)

للمحولات طاقات متنوعة تختلف بحسب الحمل أو المنزل المراد تشغيله، أكثرها شهرة هي بقدرة 2500 وات، 3500 وات و5500 وات.
الطاقة بـ"الوات" تساوي Volt * Ampere، فالفولت أو الجهد هو قوة ضخ الإلكترونات، أما الأمبير فهو كمية التيار الكهربائي أو الإلكترونات. فمثلا يمكننا أن نتخيل أن الأمبير هو كمية المياه التي تسري في أنبوب مائي، أما الفولت أو الجهد فهو قوة ضخها. مثلًا إذا أردنا تفريغ كمية من الماء موجودة على السطح إلى مكان آخر عبر أنبوب ما، فإذا كانت المياه لا تصل إلى الطرف الآخر نفهم حينها أن طاقة الماء لا تكفي لإيصالها إلى الطرف الآخر، لذلك نقوم بتكبير الجهد أو الفولت بسد جزء من الأنبوب لنستطيع إيصال المياه، ولكننا بهذه الصورة قد خففنا من كمية المياه المتدفقة أي الأمبير، فإذاً الطاقة والجهد والكمية مترابطة، فنحن هنا لم نغير طاقة المياه ولكننا عدلنا في الجهد على حساب الكمية محافظين على نفس الطاقة، هذا هو المبدأ نفسه في تحويل كمية الأمبير من السطح الى المحول ومن البطارية وإليها.

فإذا كان لدينا عشرة ألواح قدرة كل منها 550 وات، فيصبح لدينا قدرة 5،500 وات، لتحويل هذه الطاقة إلى جهد منزلي بقدرة 220 فولت نستعمل نفس القاعدة المشار إليها في الأعلى: 5500 وات=220 * أمبير، فتصبح كمبية الأمبير القصوى هي 5500/220 = 25 أمبير للمنزل، ولكن لنكون عمليين فهذا الرقم تتحكم به عدة عوامل منها جودة الألواح والغيوم ووقت النهار، لذلك نعتبر أن معدل جودة الألواح هو 80% في منتصف النهار لتصبح كمية الكهرباء الفعلية هي 17 أمبير.

ملاحظة مهمة: تتدفق كميات الكهرباء أو حتى الماء من أي مصدر بحسب الحمل أو الطلب عليها، فلا يسري التيار الكهربائي أو حتى المائي إلا بحسب كمية الطلب له، فمثلًا لا تتدفق كميات الأمبير إلا في حال تم تحميل أحمال عليها في المنزل، المثل عينه في الماء، لا تسري الماء الا إذا فتحنا الصنبور وتتدفق أكثر وأكثر كلما ازداد الطلب على الماء وهكذا.

أنواع البطاريات

في غياب الطاقة الشمسية يعمل المحول في الليل على الطاقة المخزنة في البطاريات، فما هي أهم أنواع البطاريات؟

بطارية أسيد:
أكثرها شهرة سعة 200 أمبير ذات الجهد 12 فولت، فاذا كان المحول يستخدم أربع بطاريات فتصبح طاقة النظام القصوى في الليل 4 * 12 * 200=9600 وات، ولكن في نوع بطاريات الأسيد يجب أن نبقي على 25% من الطاقة المخزنة فيصبح الممكن استخدامه هو 7200 وات، لنحول هذا الرقم الى كهرباء مترددة بجهد 220 فولت، علينا أن نقسم 7200/220=32 أمبير، هذا هو الرقم الذي يمكننا استخدامه نظريًا طول الليل أي بمعدل 3 أمبير لمدة عشر ساعات، ولكن ملاحظة هذا الأداء لبطارية الأسيد هو فقط لأول خمس ساعات من بداية الليل، بعدها تبدأ بالتصرف بطريقة غير مدروسة لأن المصنع يضمن فعاليتها في أول خمس ساعات فقط، لذلك يستحسن أن يتم شحنها ولو لوقت قليل خلال الليل من أجل الإستفادة من الطاقة المخزنة، وملاحظة أيضًا أن العمر الافتراضي لبطاريات الأسيد لا يمكن أن يتجاوز3 سنوات هذا إن تم المحافظة عليها من ناحية عدم تفريغها لمستوى أقل من 50% وفحص مستوى الأسيد فيها دائما كل 15 يوما، يتم هذا بإضافة الماء المقطر إليها كلما دعت الحاجة (اذا انخفض مستوى الأسيد دون علام الخط الأخضر).

يلاحظ من تجربة بطارية الأسيد أنه بعد سنة يبدأ تدني كفاءتها حيث إنها عمليا قد تجاوزت نصف عمرها الفعلي.

بطارية الليثيوم:
هي الأفضل من حيث الفعالية والعمر وحتى من حيث كمية استخدام الطاقة المخزنة فيها لتبلغ 90% منها بدلا عن 75% مقارنة ببطارية الأسيد، لكن سعرها الأغلى هو الذي يحول دون استخدامها في دول العالم الثالث. حاليًا سعر بطارية الليثيوم هو ضعف بطارية الأسيد بنفس القدرة، ولكن من حيث العمر يتوقع أن تستخدم بطارية الليثيوم لثلاثة أضعاف عمر بطارية الأسيد، فعمر بطارية الأسيد هو سنتان أما بطارية الليثيوم فيتوقع أن تبقى في العمل كحد أدنى لخمس سنوات وربما إلى سبع سنوات.

تأثير الغيوم على الطاقة الشمسية:
إن أكثر ما يمنع وصول الطاقة الشمسية أو أي نوع طاقة كهرومغناطيسية إلى هدفها هو الماء، فالغيوم الثقال أو المحملة ببخار الماء أو ما يعرف بذات اللون الأسود هي تقريبا حاجبة كليا للطاقة الشمسية، وكلما خفت كثافتها كانت استطاعتها على تمرير الطاقة أكبر، ولكن كمعدل عام في جو ماطر تعتبر نسبة الاستفادة من الألواح حوالي 10-20% بوجود الغيوم، أما في حالة عدم وجود الغيوم فتعتبر شمس الشتاء أفضل للاستفادة من الطاقة الشمسية لتبلغ أكثر من 90% وصولا إلى 100%، أما في فصل الصيف فكون الغيوم لا تحتوي على الماء، يمكن الاستفادة من الطاقة الشمسية بحسب كثافة الغيمة لدرجة حوالي 50% أو أكثر بوجود الغيوم.

الجو الأمثل للاستفادة من الطاقة الشمسية:
تبلغ ذروة الاستفادة من الطاقة الشمسية في حال عدم وجود الغيوم في فصل الشتاء درجة 100% بسبب اقتراب الارض من الشمس من جهة وبسبب انخفاض درجة الحرارة، إذ إن ارتفاع الحرارة يعيق توليد الكهرباء من جهة الألواح، ومن جهة ثانية من ناحية الكابلات التي تحمل الكهرباء أيضًا، فكلما كانت درجة الحرارة مرتفعة أكثر كلما صعب نقل الكهرباء بطريقة منتظمة وفعالة بسبب تأثر التيار الكهربائي بطاقة حرارية خارجية.
 

الكهرباءالتكنولوجياالطاقة الشمسية

إقرأ المزيد في: تكنولوجيا وأمن معلومات