منذ أقدم العصور، كان البشر يتطلعون إلى السماء بحثًا عن الإجابات، أو الدفء، أو الضوء. لقد كانت الشمس، كمصدر لا ينضب للطاقة، دائمًا موضع إعجاب واستغلال في مختلف الثقافات. ومع ذلك، فقد تمكنا في القرون الأخيرة من فهم ودراسة وتطوير التقنيات القادرة على تحويل هذا الضوء إلى طاقة كهربائية مفيدة من خلال الألواح الشمسية.
يعد تطور الألواح الشمسية قصة رائعة تتميز بالاكتشافات العلمية والتقدم التكنولوجي والابتكارات الثورية.. من البداية مع المرايا البسيطة وأفران الطاقة الشمسية إلى الألواح الشمسية الحديثة القادرة على تحقيق كفاءة تتجاوز 22٪، تعرض هذه الجولة الإبداع البشري في خدمة الاستدامة والبيئة.
أول استخدامات الشمس كمصدر للطاقة
قبل وقت طويل من اكتشاف التأثير الكهروضوئي، كانت العديد من الحضارات تستغل الطاقة الشمسية بطرق مبتكرة.. بحلول القرن الثالث قبل الميلاد، كان الإغريق القدماء يستخدمون بالفعل المرايا المقعرة لتركيز ضوء الشمس على الأشياء لإشعال النيران، وهي التقنية التي تُنسب حتى إلى أرخميدس خلال معركة سيراكيوز، حيث يُزعم أنه استخدم المرايا لإشعال النار في الأسطول الروماني.
في روما القديمة، بسبب نقص الخشب، تم تطوير المباني التي تواجه الشمس لالتقاط الحرارة. كان الرومان يستخدمون الزجاج في نوافذ منازلهم للحفاظ على الحرارة.كما قاموا أيضًا بإنشاء بيوت زجاجية، تُعرف بالبيوت الزجاجية، حيث زرعوا نباتات غريبة بفضل درجة الحرارة الثابتة التي تولدها أشعة الشمس. هذا الجانب من الهندسة المعمارية الشمسية لا يقدر بثمن عندما نتحدث عن الراحة في المنزل.
وبمرور الوقت، أتقنوا هندسة الطاقة الشمسية. تم إنشاء حق قانوني في الحصول على ضوء الشمس، وتم تصميم المنازل بحيث تكون موجهة حسب الموسم، وتم اختراع اختراعات مثل هيليوكامينيوس، وهو فرن شمسي يستغل طاقة الشمس لتسخين المساحات الداخلية أو طهي الطعام.
في الأمريكتين، قام شعب الأناسازي، وهم حضارة أمريكية هندية من جنوب غرب أمريكا الشمالية، بتصميم منازل ومستوطنات موجهة نحو الشمس للاستفادة من ضوئها وحرارتها.. كانوا يعيشون في مساكن مبنية من الطوب والحجر، تقع في مواقع استراتيجية على المنحدرات المواجهة للجنوب، مما يوفر لهم الدفء الطبيعي خلال فصل الشتاء. ويعتبر هذا النهج المعماري اليوم بمثابة مقدمة للتخطيط الحضري للطاقة الشمسية.
قرون من التجارب العلمية: التأثير الكهروضوئي
وفي القرن التاسع عشر، اتخذ العلم خطواته الأولى نحو الطاقة الشمسية الحديثة. في عام 1767، ابتكر عالم الطبيعة السويسري هوراس بنديكت دي سوسير أول فرن شمسي، وهو عبارة عن صندوق زجاجي يركز حرارة الشمس ويصل إلى درجات حرارة أعلى من 100 درجة مئوية، مما يسمح بطهي الطعام بكفاءة.
في عام 1839، اكتشف الفيزيائي الفرنسي ألكسندر إدموند بيكريل التأثير الكهروضوئي، حيث لاحظ أن بعض المواد تنتج تيارًا كهربائيًا عند تعرضها للضوء. لقد وضع هذا الاكتشاف الأساسي الأساس لتطوير الخلايا الشمسية في المستقبل. هذا المبدأ أساسي لفهم كفاءة الطاقة الشمسية الحالية.
وفي وقت لاحق، في عام 1866، قام أوغستين موشو ببناء أول مجمع شمسي مكافئ، والذي استخدم المرايا لتركيز أشعة الشمس وإنتاج البخار الذي يدير المحرك. كان هذا الاختراع بمثابة مقدمة للطاقة الحرارية الشمسية.
الألواح الشمسية الأولى: من النظرية إلى التطبيق
في عام 1883، قام تشارلز فريتس بتصنيع أول لوحة شمسية باستخدام السيلينيوم المغطى بورق الذهب. ورغم أن كفاءتها كانت 1% فقط، إلا أنها كانت خطوة حاسمة. في عام 1891، قام كلارنس كيمب بتطوير أول سخان مياه يعمل بالطاقة الشمسية، وهو عبارة عن صندوق زجاجي يقوم بتسخين خزان من الماء الأسود.
في عام 1905، قدم ألبرت أينشتاين شرحًا نظريًا للتأثير الكهروضوئي، وفي عام 1921 حصل على جائزة نوبل لذلك. وفي عام 1916، أثبت روبرت ميليكان صحة هذه النظرية تجريبياً، مما أدى إلى تعزيز هذه الظاهرة علمياً. كان هذا التطور حاسما للمعرفة اللازمة في تقييم التكاليف والأداء.
في عام 1953، أجرى دان تريفيتش حسابات نظرية حول كفاءة الخلايا الشمسية المصنوعة من مواد مختلفة. وبعد مرور عام واحد، في عام 1954، قدمت مختبرات بيل أول خلية شمسية من السيليكون بكفاءة تبلغ 4%. لقد وضع مبتكروها، داريل تشابين، وكالفن فولر، وجيرالد بيرسون، الأساس للوحة الشمسية الحديثة.
الطاقة الشمسية في الفضاء وامتدادها إلى الأرض
وكان أول استخدام عملي لهذه الألواح في الفضاء. في عام 1958، تم إطلاق القمر الصناعي فانغارد 1، وهو أول قمر صناعي يستخدم الطاقة الشمسية، مما يسمح له بالعمل لمدة ست سنوات في المدار.
في عام 1963، تم تركيب أول منارة تعمل بالطاقة الكهروضوئية في أوجامي باليابان، مما يمثل بداية التطبيقات الأرضية لهذه التكنولوجيا. وفي العام نفسه، بدأت شركة شارب الإنتاج الصناعي الضخم للألواح الشمسية في ذلك البلد. لقد فتح هذا الاختراق الباب أمام جديد أنظمة الألواح الشمسية.
على مدى العقدين التاليين، تطورت التكنولوجيا بسرعة، وفي عام 1970 تبرعت وكالة ناسا بألواح شمسية لقبيلة باباجو كجزء من مشروع تجريبي. في عام 1981، قام بول ماكريدي بتطوير أول طائرة تعمل بالطاقة الشمسية.
التقدم التكنولوجي وتحسين الكفاءة
في عام 1985، تمكن فريق من جامعة نيو ساوث ويلز من تحقيق أول خلية سيليكون بكفاءة تزيد عن 20%. في عام 1993، تم تركيب أول نظام توزيع الطاقة المعتمد على الشبكة في كرمان، كاليفورنيا.
خلال تسعينيات القرن العشرين وبداية القرن الحادي والعشرين، تم تحسين المواد: تم تطوير خلايا السيليكون أحادية البلورة ومتعددة البلورات، بالإضافة إلى تقنيات الأغشية الرقيقة، مما أدى إلى خفض التكاليف وتحسين الكفاءة والمرونة. كان هذا الاختراق حاسما بالنسبة لـ تركيب الألواح الشمسية.
في عام 1998، اخترع سوبهندو جوها بلاط الطاقة الشمسية السيليكوني المرن، وفي عام 2005، ظهرت أول الألواح الشمسية التي يمكن تجميعها ذاتيًا، وهي سهلة التجميع ومصممة للمناطق النامية.
أجيال الخلايا الشمسية والتقنيات الناشئة
هناك حاليًا عدة أجيال من تكنولوجيا الطاقة الكهروضوئية قيد المناقشة.. الطريقة الأولى تعتمد على السيليكون البلوري مع إنتاجية تصل إلى حوالي 15-20%. أما النوع الثاني فيشمل خلايا الأغشية الرقيقة، وهي أخف وزنا وأقل تكلفة، على الرغم من أنها أقل كفاءة إلى حد ما.
ويعتمد الجيل الثالث على مواد مثل الأنابيب النانوية الكربونية، والنقط الكمومية، والخلايا الحساسة للصبغة (DSSCs)، ذات إمكانات تتجاوز 30% وتنوع كبير في أشكال مثل الدهانات الشمسية أو الألواح شبه الشفافة. وهذا مهم عند النظر في تطبيقات الطاقة الشمسية الجديدة.
سيعمل الجيل الرابع القادم على الجمع بين البوليمرات والجسيمات النانوية في طبقات متعددة الأطياف لالتقاط أطوال موجية مختلفة، بما في ذلك الأشعة تحت الحمراء. هذا سوف يسمح تحويل الحرارة المهدرة إلى كهرباء، تعظيم الكفاءة.
التأثير الاجتماعي والاقتصادي والبيئي
لقد أدى استخدام الألواح الشمسية إلى تغيير الطريقة التي ننتج بها الطاقة ونستهلكها. لقد كانوا مفتاحا ل كهربة المناطق الريفية، وتوفير إمكانية الوصول إلى المياه النظيفة من خلال المضخات الشمسية، وتقليل اعتمادنا على الوقود الأحفوري. هذا التأثير أساسي عند التحليل تأثير بيئي.
واليوم، يمكن العثور عليها في المنازل، والمباني، والمركبات، والأقمار الصناعية، وحتى محطات الفضاء. كما أنها تستخدم على نطاق واسع في الإشارات والاتصالات والحماية الكاثودية والرعاية الطبية في المواقع النائية.
علاوة على ذلك، تم تخفيض تكلفتها بشكل كبير. وبحسب الدراسات، انخفض سعر الواط الواحد من الألواح الشمسية من أكثر من 70 دولارا للواط الواحد في عام 1977 إلى أقل من 0,25 دولار اليوم. ويتماشى هذا الاتجاه مع قانون سوانسون، الذي ينص على أنه في كل مرة يتضاعف فيها الإنتاج، تنخفض التكاليف بنسبة 20%.
حاضر ومستقبل الطاقة الشمسية
يتم حاليًا استخدام تقنيات جديدة مثل خلايا TOPCon من النوع N.، والتي تجمع بين أكسيد النفق وأشباه الموصلات PERC لزيادة الكفاءة وتقليل إعادة تركيب الإلكترون. وتتجاوز قدرة النماذج الحديثة بالفعل 500 واط لكل لوحة، مع كفاءات تتجاوز 22% في المنتجات التجارية.
ويستمر البحث في الابتكار في مواد جديدة مثل البيروفسكايت والجرافين والحلول الهجينة. يتجه الاتجاه الآن نحو استخدام ألواح أخف وزنا وأكثر قوة مع تكامل معماري كامل: واجهات الطاقة الشمسية، والنوافذ الكهروضوئية، وحتى المنسوجات الشمسية. هذا التقدم مهم ل تقنية الألواح الشمسية الشفافة.
الهدف هو تحقيق طاقة نظيفة ومستقلة ولامركزية بالكامل وبأسعار معقولة.. تبرز الطاقة الشمسية كأحد اللاعبين الرئيسيين في التحول في مجال الطاقة الذي سيحدد العقود القادمة.
إن تطور الألواح الشمسية هو نتيجة قرون من الفضول العلمي والملاحظة والاختراع والمثابرة. من المرايا اليونانية إلى الأقمار الصناعية الفضائية، ومن الأفران الشمسية البدائية إلى الخلايا الكهروضوئية المتطورة، كانت الشمس وستظل واحدة من أعظم حلفائنا. اليوم، أكثر من أي وقت مضى، لم تعد الطاقة الشمسية مجرد بديل، بل أصبحت حاجة ملحة وفرصة حقيقية للتقدم نحو مجتمع أنظف وأكثر عدالة وكفاءة.
