تعمل الطاقة الشمسية على تغيير الطريقة التي ننظر بها إلى كيفية مصدر الطاقة التي نحتاجها، ونظرًا لمدى سرعة تقدم التكنولوجيا بما يتماشى مع بحثنا عن طاقة أنظف، فلنلقِ نظرة على الأنواع المختلفة للطاقة الشمسية المتاحة.

تقليديًّا تأتي الكهرباء لدينا عبر الشبكة، حيث نولّدها عن طريق حرق الفحم أو الغاز الطبيعي، على الرغم من ذلك لا يمكن أن يستمر اعتمادنا على الكهرباء المولدة من الوقود الأحفوري، لحسن الحظ، فإن سعينا للتحول إلى البيئة يساعدنا في رحلتنا لإيجاد بدائل أقل تلويثًا.

الطاقة الشمسية هي نوع من الطاقة المتجددة الأفضل للبيئة، فما الذي لا تحبه فيها؟ بالطبع، مثل أي تقنية، تأتي الطاقة الشمسية مع مزاياها وعيوبها، سواء كانت أنظمة تجارية أو أنظمة سكنية، فإن الأنواع المختلفة للطاقة الشمسية توضح مدى الفوائد التي يمكن أن نتوقعها من الطاقة المتجددة.

ما هي أنواع مختلفة من الطاقة الشمسية؟

• الطاقة الشمسية الكهروضوئية

يعود تاريخ الطاقة الشمسية الكهروضوئية إلى حوالي ثلاثينيات القرن التاسع عشر عندما تم اكتشاف التأثير الكهروضوئي، في وقت لاحق، في عام 1954، قامت شركة Bell Laboratories في الولايات المتحدة ببناء أول لوحة كهروضوئية شمسية.

لفهم هذا النوع من الطاقة الشمسية، من المفيد التفكير في الألواح الشمسية على الآلة الحاسبة، تعمل الألواح الشمسية عن طريق تحويل ضوء الشمس المباشر إلى كهرباء.

تعدّ أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية أحد أكثر أنواع أنظمة الطاقة الشمسية المتاحة شيوعًا، عادةً ما يتكون عدد من الخلايا الشمسية من الألواح الكهروضوئية، وتنتج تيارًا مباشرًا تتحول المحولات إلى تيار متناوب، تُعرف مجموعة الألواح الشمسية الكهروضوئية المتصلة بالمجموعة المطلوبة لتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء باسم أنظمة الخلايا الشمسية.

اليوم يمكننا أن نرى بعضًا من أكبر الدول في العالم، بما في ذلك الصين والولايات المتحدة والاتحاد الأوروبي، يطرحون مزارع شمسية واسعة النطاق لزيادة الطاقة الشمسية، اعتبارًا من عام 2018، بلغ إجمالي الطاقة الشمسية لهذه البلدان 175، 180 ميجاوات و62، 200 ميجاوات و115، 234 ميجاوات على التوالي، وفي الوقت نفسه، تتحرك البلدان النامية أيضًا بحثًا عن الطاقة المتاحة مجانًا مع توسع السكان.

في عام 2018 كانت آسيا تسير قدمًا من حيث تركيبات الألواح الشمسية 5، شكلت المنطقة 75 ٪ من منشآت الطاقة الشمسية العالمية، مما يثبت أن الألواح الكهروضوئية التي تولد الطاقة من ضوء الشمس تبدو واحدة من أكثر أشكال الطاقة الشمسية شيوعًا.

محليًّا انخفض سعر تركيب الخلايا الشمسية الكهروضوئية بشكل كبير نتيجة للحوافز الحكومية والتخفيضات، نتيجة لذلك وبغض النظر عن أسطورة النفقات، تستفيد المزيد والمزيد من المنازل الآن من الطاقة النظيفة المشتقة من الشمس.

فيما يتعلق بالكفاءة سينتج نظام الألواح الشمسية الكهروضوئية حوالي 200 كيلو وات في الساعة في ظل ظروف الاختبار العادية، هذا يعتمد على لوحة شمسية ذات كفاءة 20٪ ومساحة 1 م.

• الطاقة الشمسية المركزة

اليوم توجد الطاقة الشمسية المركزة، أو CSP، عادة في المنشآت الكبيرة الحجم التي توفر الكهرباء للشبكة.

تتمتع الطاقة الشمسية المركزة بتاريخ مثير للاهتمام، يعتقد الكثيرون أنه يعود إلى أرخميدس وزجاجه المحترق، يستخدم هذا النوع من الطاقة المرايا والعدسات لتركيز مساحة كبيرة من ضوء الشمس على جهاز الاستقبال.

في عام 1866، تم استخدام حوض مكافئ لإنتاج البخار مما جعل من الممكن تشغيل أول محرك بخاري يعمل بالطاقة الشمسية، ومع ذلك حصل أليساندرو باتاغليا على أول براءة اختراع في عام 1886 وفي عام 1929، أنشأ الدكتور آر إتش جودارد نظامًا للطاقة الشمسية باستخدام طبق مرآة.

كما هو الحال حاليًا هناك أربعة أنواع من تقنيات الطاقة الشمسية المركزة، هذه هي حوض القطع المكافئ، والصحن، وعاكس فرينل الخطي المركّز، وبرج الطاقة الشمسية.

تم نشر النظام الأول في عام 1984، وبحلول نهاية ذلك العام وصل عدد الأنظمة إلى 14 نظامًا، وبحلول عام 2019، وصلت التركيبات على مستوى العالم إلى 6، 451 نظامًا، تستخدم التركيبات الحديثة آلاف المرايا، وتركز طاقة الشمس في منطقة صغيرة تسخن بشدة، ثم تقوم الحرارة بتشغيل توربينات بخارية لتوليد الكهرباء.

يناسب هذا الشكل من الطاقة الشمسية البلدان التي تشهد مستويات عالية جدًّا من أشعة الشمس، لذلك ليس من المستغرب أن تمتلك إسبانيا أكبر قدرة استيعابية تبلغ 2300 ميجاوات بينما تتبعها الولايات المتحدة وجنوب إفريقيا بقوة 1738 ميجاوات و400 ميجاوات.

لا تحظى الطاقة الشمسية المركزة بشعبية كبيرة في التطبيقات واسعة النطاق مثل استخدام الألواح الكهروضوئية أو الألواح الكهروضوئية، ومع ذلك فإنها تتمتع بكفاءة تحويل تصل إلى 25٪ إلى 35٪.

• تسخين المياه بالطاقة الشمسية

بدأت الطاقة الشمسية لتسخين المياه بطلاء أسود على الخزانات واستخدم لتسخين المياه، نظرًا لأن الطلاء الأسود يمتص حرارة الشمس، فإنه يسخن الماء بداخله، بقدر ما قد يبدو هذا بدائيًّا، فإنه يوضح أننا فهمنا قوة الطاقة الشمسية منذ وقت مبكر.

تم إنشاء أول محطة للطاقة الشمسية الحرارية في المعادي، مصر، ومع ذلك لم يتم استخدام مجمعات الألواح المسطحة لتسخين المياه بالطاقة الشمسية في فلوريدا وجنوب كاليفورنيا حتى عشرينيات القرن الماضي.

عادة ما نرى هذا الشكل من الطاقة الشمسية في المواقف المنزلية والتجارية والصناعية، باستخدام التكنولوجيا المتوفرة لدينا، يتم تسخين سائل عامل باستخدام مجمّع مواجه للشمس، سينتقل هذا بعد ذلك إلى نظام تخزين حيث يمكننا تسخين المياه المحيطة بالأنابيب التي تحتوي على سائل العمل.

لتشغيل شبكات الكهرباء لدينا، بلغت قدرة تسخين المياه بالطاقة الشمسية 472 جيجا واط اعتبارًا من عام 2017، تقود الصين والولايات المتحدة وتركيا الطريق فيما يتعلق بالتبني، ومع ذلك فإن نصيب الفرد، مثل باربادوس والنمسا وقبرص، يسيطر على السوق.

الحرارة التي يولدها هذا النظام تتناسب مع كمية الحرارة من الشمس، لذلك فإن تلك البلدان التي لديها مناخات أكثر دفئًا وأكثر إشراقًا من المرجح أن تستفيد من هذا النوع من الطاقة الشمسية، هذا يغذي كفاءة هذه الأنظمة، لذلك في المناطق التي ترتفع فيها درجات الحرارة، يمكن أن يكون تسخين المياه فعالًا للغاية من حيث التكلفة، نتيجة لذلك تكون أوقات الاسترداد أقصر عندما يتعلق الأمر بتركيب الطاقة الشمسية في المناخات المُشمسة.

• تدفئة حمامات السباحة بالطاقة الشمسية

يعد تشغيل نظام تدفئة للحفاظ على حمام السباحة دافئًا عملية مكلفة، يعد الحفاظ على درجة حرارة الماء تكلفة مستمرة يمكن تقليلها باستخدام الطاقة الشمسية المشتقة من الشمس.

يعود تاريخ تسخين المياه بالطاقة الشمسية التجارية إلى عام 1891، وفي غضون خمس سنوات من ذلك، كانت التكنولوجيا تسخين حمامات السباحة في جميع أنحاء ولاية كاليفورنيا، كانت فلوريدا الولاية التالية التي تليها، ولكن كان هناك نقص في النحاس نتيجة الحرب العالمية الثانية، إلى جانب ذلك كانت الكهرباء تهيمن، في ذلك الوقت، دفعت صناعة المياه بالطاقة الشمسية الثمن.

على الرغم من هذه الضربة القاضية، بعد حوالي 50 عامًا، أصبح الاتجاه السائد مرة أخرى، كان الدافع وراء ذلك ارتفاع أسعار الوقود والحظر النفطي الذي تفرضه منظمة البلدان المصدرة للبترول (أوبك)، ومع ذلك فإننا نبحث الآن عن طرق جديدة ومبتكرة لتقليل استخدامنا للوقود الأحفوري والكهرباء أثناء محاولة تحسين التوقعات لكوكبنا.

لذلك شهد طلب المستهلكين زيادة شعبية تدفئة المسابح الشمسية، يعمل هذا بنفس طريقة تسخين المياه بالطاقة الشمسية، الألواح أو الألواح الكهروضوئية المحتوية على موصلات حرارية تلتقط الحرارة من ضوء الشمس وتحولها إلى طاقة، وبالتالي ماء ساخن.

تتكون هذه الأنظمة تقليديًّا من أربع مكونات، هذه هي المجمع الشمسي والمضخة والصمام والمرشح، يمر الماء عبر الفلتر ثم إلى مجمعات الطاقة الشمسية أو الألواح التي تشكل مصدر الطاقة، ستعمل الحرارة هنا على تسخين الماء قبل إعادة ضخّ الماء الساخن إلى البركة.

بصرف النظر عن تكاليف التثبيت الأولية، تعد هذه الأنظمة طريقة رائعة لتعزيز الكفاءة، إنها تقلل التكاليف وتستخدم حرارة الشمس لتسخين المياه، كل هذا يقلل من الحاجة إلى الطاقة الكهربائية المشتقة من الشبكة.