وفي الوقت الحاضر، طاقة غير متجددة ولا تزال هي الأكثر استخدامًا في العالم، مثل النفط والغاز الطبيعي والفحم، والتي تأتي من موارد محدودة ويمكن استنفادها بمرور الوقت. يستمر الطلب العالمي على الطاقة في التزايد، ويطرح استخدام هذه الموارد الأحفورية مشاكل بيئية خطيرةمثل تلوث الهواء وتغير المناخ.
وعلى الرغم من هذه البانوراما، الطاقات المتجددة إنهم يكتسبون أرضًا، ويقدمون بديلاً نظيفًا ومستدامًا. تقنيات مثل الطاقة الرياح والطاقة الحرارية الأرضية والكتلة الحيوية وبالطبع الطاقة الشمسية الكهروضوئية أثبتت أنها حل قابل للتطبيق لمواجهة تحديات الطاقة في عصرنا. في هذه المقالة سنناقشها بالتفصيل ما هي الطاقة الشمسية الضوئيةوكيف يتم توليده وما هي تطبيقاته الرئيسية.
ما هي الطاقة الضوئية؟
La الطاقة الشمسية الكهروضوئية وهو الذي يحول ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباء من خلال تأثير ضوئي. تحدث هذه العملية بفضل الخلايا الشمسية، وهي الأجهزة المصنوعة من مواد أشباه الموصلاتمثل السيليكون القادر على تحويل الطاقة الضوئية إلى كهرباء.
مصطلح "الخلايا الكهروضوئية" مشتق من الكلمتين اليونانيتين "photo" والتي تعني الضوء، و"volt" التي تشير إلى وحدة قياس الكهرباء. لا تعتبر الطاقة الكهروضوئية مجرد تقنية نظيفة ومتجددة، ولكنها أيضًا واحدة من أكثرها استدامة على المدى الطويل. وتلعب هذه التكنولوجيا دورًا أساسيًا في التحول نحو نظام طاقة خالٍ من الكربون، وهو هدف متزايد الإلحاح عالميًا.
El السيليكون وهي المادة الأساسية المستخدمة في صناعة الخلايا الشمسية نظراً لكثرتها على الأرض وخصائصها شبه الموصلة. مواد أخرى مثل تلوريد الكادميوم أو عنصر السيلينيوم، وتستخدم أيضًا في أنواع معينة من الخلايا الشمسية.
كيف يتم توليد الطاقة الشمسية الكهروضوئية؟
تعتمد الطاقة الشمسية الكهروضوئية على التأثير الكهروضوئي. تحدث هذه الظاهرة الفيزيائية عندما يتم الحصول على كمية معينة من الطاقة الضوئية (الموجودة في الفوتونات) تصطدم بسطح مادة شبه موصلة، مثل السيليكون، فتطلق الإلكترونات. يتم التقاط هذه الإلكترونات بواسطة دائرة خارجية، مما يولد تيارًا كهربائيًا.
الأجهزة المسؤولة عن هذه العملية هي الخلايا الضوئية، والتي تم تصميمها لتعظيم التقاط الفوتونات، وبالتالي إنتاج الكهرباء. عندما يتم توصيل العديد من هذه الأجهزة ببعضها البعض، فإنها تشكل ما نعرفه الألواح الشمسية o الوحدات الكهروضوئية.
ويمكن وصف عملية تحويل الطاقة في الخطوات التالية:
- يضرب ضوء الشمس الخلايا الكهروضوئية، مما يولد فرقًا محتملاً بين الجانبين الأمامي والخلفي للخلية.
- الكثير الإلكترونات يتم إطلاقها بفضل التأثير الكهروضوئي، وتبدأ في التحرك عبر الدائرة الخارجية، مما يولد تيارًا كهربائيًا (على شكل تيار مباشر).
- وأخيرا، يتم تحويل التيار المباشر إلى التيار المتناوب (CA) من خلال أجهزة تسمى المستثمرينمما يسمح باستخدامه في الأجهزة الكهربائية المنزلية والصناعية.
من المهم ملاحظة أن كفاءة الخلايا الكهروضوئية تتحسن باستمرار، واليوم يمكنك العثور على ألواح بها كفاءة أكبر من 20%مما يعني أن أكثر من 20% من ضوء الشمس الذي يتم التقاطه يمكن تحويله إلى طاقة كهربائية.
بعض اللوحات الأكثر تقدمًا، مثل تلك الخاصة بـ طبقة رقيقة، ويستخدمون مواد أخرى غير السيليكون، مثل تلوريد الكادميوممما يسمح بإنشاء لوحات أخف وزنا وأكثر مرونة. ومع ذلك، لا تزال هذه الألواح تتمتع بكفاءة أقل قليلاً مقارنة بألواح السيليكون.
استخدامات الطاقة الشمسية الكهروضوئية
الطاقة الشمسية الضوئية لديها تطبيقات متعددة سواء على المستوى المحلي أو الصناعي، وقد سمح تعدد استخداماته باستخدامه في العديد من المجالات التي لم يكن من الممكن تصورها من قبل.
- التطبيقات المنزلية: تسمح التركيبات الكهروضوئية على الأسطح للمنازل بتوليد الطاقة الخاصة بها، مما يقلل من تكاليف فاتورة الكهرباء ويساهم في استدامة البيئة. عادة ما يتم استكمال هذه الأنواع من التطبيقات بأنظمة تخزين الطاقة، مثل البطاريات الشمسيةوالتي تسمح باستخدام الطاقة المتولدة خلال النهار في الليل أو في الأوقات الملبدة بالغيوم.
- الطاقة في الأماكن النائية: تعتبر الخلايا الكهروضوئية خيارًا ممتازًا لتوفير الكهرباء مناطق معزولة أو يصعب الوصول إليها، حيث تكون البنى التحتية الكهربائية التقليدية غير قابلة للحياة أو مكلفة للغاية. ويشمل ذلك المجتمعات الريفية ومحطات تحلية المياه ومحطات الأبحاث في المناطق الصحراوية أو القطبية.
- الأنظمة الهجينة: في كثير من الحالات، يتم دمج الطاقة الشمسية الكهروضوئية مع مصادر الطاقة الأخرى، مثل طاقة الرياحوتشكيل أنظمة هجينة تضمن موثوقية أكبر وقدرة إنتاجية أكبر.
بالإضافة إلى ذلك، الطاقة الشمسية الكهروضوئية لها تطبيقات في صناعة الطيرانكونها المصدر الرئيسي للطاقة للأقمار الصناعية والمحطات الفضائية. تم تجهيز العديد من الأقمار الصناعية بألواح شمسية تسمح لها بالعمل بشكل مستقل لسنوات، مما يوفر الطاقة لأنظمتها الإلكترونية في الفضاء.
مزايا وعيوب الطاقة الشمسية الكهروضوئية
مثل أي تكنولوجيا، تتمتع الطاقة الشمسية الكهروضوئية بمزايا وعيوب في تطبيقها. أدناه، نقوم بتحليل الإيجابيات والسلبيات الرئيسية لهذا النوع من الطاقة.
- المزايا:
- إنه مصدر للطاقة تنظيف y قابل للتجديد، والتي لا تنتج أي انبعاثات غازات الدفيئة أثناء توليد الكهرباء.
- الطاقة الشمسية هي abundante وهو متوفر عمليا في كل مكان في العالم، وخاصة في المناطق ذات الإشعاع الشمسي العالي.
- تتطلب المنشآت الكهروضوئية القليل من الصيانة ولديهم مدة الصلاحية والتي تتجاوز 25 عامًا في معظم الحالات.
- العيوب:
- الأنظمة الكهروضوئية لا تزال تعتمد على ظروف الأرصاد الجويةمما قد يحد من فعاليته في الأماكن ذات الإشعاع الشمسي المنخفض أو في الأيام الملبدة بالغيوم.
- La تقطع يمثل الحصول على الطاقة الشمسية تحديًا، نظرًا لأن إنتاج الطاقة يحدث فقط خلال النهار. ومع ذلك، يمكن التخفيف من هذه المشكلة باستخدام أنظمة تخزين الطاقة.
- El التكلفة المبدئية يمكن أن تكون التركيبات الكهروضوئية مرتفعة، على الرغم من أن الأسعار قد انخفضت بشكل ملحوظ في السنوات الأخيرة.
سوف تستمر الأبحاث والتقدم التكنولوجي في تحسين كفاءة وتكلفة الأنظمة الكهروضوئية، مما يسمح بالتغلب على العديد من العوائق الحالية. ومن الواضح أن التحول نحو نموذج طاقة أنظف وأكثر استدامة ينطوي على التوسع في هذه التكنولوجيا.
أصبحت الطاقة الشمسية الكهروضوئية الآن حقيقة واقعة وسيستمر استخدامها في النمو في السنوات القادمة، وذلك بسبب التحسينات الأساسية في التكنولوجيا ومساهمتها التي لا جدال فيها في مكافحة تغير المناخ والاستدامة العالمية.