عصر الخلايا الضوئية والبطاريات

كتب/ د. عادل عامر

الشمس مصدر الحياة ومصدر الطاقات على الأرض، فالطاقة الشمسية الواصلة الى سطح الأرض تتحول الى شكلين رئيسيين هما: طاقة كيميائية وطاقة حرارية، وكل منهما يتجلى بعدة مظاهر تؤدي لنشوء عدد من الطاقات. فعند سقوط اشعة الشمس على أوراق النباتات تدخر في النباتات على شكل طاقة كيميائية عضوية، وتشكل هيكلا للنباتات ومصدرا لغذائه ولغذاء الكائنات الحية بشكل عام.

إن تراكم الكميات الكبيرة من هذه العضويات الحية عبر السنين، وخضوعها لظروف مناسبة من الاكسدة والارجاع حولت الطاقة الكيميائية المختزنة فيها الى طاقة كيميائية أخرى شكلت مصدر الوقود الاحفوري من النفط والغاز والفحم.

اما الأثر الحراري للطاقة الشمسية فيتجلى ظاهرا عند سقوط الاشعة الشمسية على الغلاف الجوي فيؤدي لتسخينه تسخينا متفاوتا، وبالتالي: لحدوث التيارات الهوائية، وبالنتيجة ظهور طاقة الرياح، ويشكل تبخر كميات هائلة من مياه البحار والمحيطات مصدرا للطاقة المائية على الأرض.

ان التسخين المباشر لسطح البحار والمحيطات يؤدي لارتفاع درجة حرارة السطح مع المحافظة على درجة حرارة منخفضة في القاع، وتعرف الطاقة الناتجة من هذه الظاهرة بالطاقة الحرارية في البحار والمحيطات.

ترتبط طاقة المد والجزر مباشرة مع الشمس ولو بشكل ضئيل أي بمدى قربها او بعدها عن الأرض، ويعتقد ان الطاقة الكامنة الجوفية في باطن الأرض هي طاقة مستمدة من الشمس، لان معظم النظريات الحديثة تؤكد ان الأرض تعود في منشئها الى الشمس إذ انها انفصلت عنها (الكوكب الام) وبردت قشرتها الخارجية، اما اعماقها فما زالت ملتهبة تشع الحرارة الى الجهات كافة.

بدأ الانسان استخدام الطاقة الشمسية منذ القرن الثالث قبل الميلاد، وذلك باستخدام المرايا لتركيز اشعة الشمس، ثم تناولت هذه الاستخدامات وتطورت تطورا كبيرا حتى استخدام هذه الطاقة في إطلاق الأقمار الصناعية التي تتردد بالطاقة الشمسية عن طريق الخلايا الكهرو شمسية

ترك البترول بصمات واضحة على القرن العشرين. بيد أنه من المقرر أن تغير الكهرباء الرخيصة المولدة من الطاقة الشمسية إمدادات الطاقة العالمية بشكل جذري. وهذا التحول بدأ، لكن ما تزال هناك بعض العوائق. فما هي؟

“في أسواق الكهرباء في العالم نعايش تصدعا في السد”، كما يقول كريستيان برايير، أستاذ الاقتصاد الشمسي بالجامعة الفنلندية وخبير سيناريوهات الطاقة العالمية. فالكهرباء من محطات توليد طاقة شمسية كبيرة بات في الأثناء أقل تكلفة من السعر المتوسط في سوق الكهرباء وبالتالي يتم التخلص أكثر من محطات توليد طاقة أخرى. “ففي الهند مثلا يتم تقليص محطات توليد الطاقة من الفحم، لأنه ليس لها اقتصاديا فرصة أمام الطاقة الشمسية“.وهذا التوجه سيزداد في السنوات المقبلة حسب برايير. فمن جهة سيصبح بناء منشآت الطاقة الشمسية في كل سنة أقل تكلفة بين 5 و 10 في المائة ومن ثم كذلك الكهرباء المحصل. وفي آن واحد تنخفض تكاليف الطاقة البطارية. وبايير متأكد من “اننا سنعايش في النصف الثاني من هذا العقد تغيرات كبيرة في السوق”. ستكون هناك محطات توليد طاقة كبيرة ببطاريات، وستتولى بالتالي أجزاء كبرى من سوق الكهرباء. وهذا يعني بأن الوضع سيصبح أكثر تعقيدا بالنسبة إلى محطات توليد الطاقة التقليدية.

الطاقة الشمسية هي الطاقة التي تأتي من الشمس ويستخدمها البشر لفترة طويلة لأشياء مثل التدفئة وطهي الطعام وإزالة الملح من مياه البحر والكثير من الأشياء أخرى.

الطاقة الشمسية هي الضوء والحرارة المنبعثان من الشمس ولهذه الطاقة أهمية كبيرة في الكرة الأرضية فجميع الكائنات الحية في الأرض تعتمد على طاقة الشمس، فهي مصدر أساسي لعملية البناء الضوئي عند النباتات كما تقوم بتوفير الدفء للكائنات الحية جميعها للبقاء على قيد الحياة، كما تساعد حرارة الشمس بتبخر الماء الموجود على سطح الأرض وتشكيل السُحُب التي توفر في النهاية مياه الأمطار العذبة.

وتنتج الطاقة الشمسية عن طريق تفاعلات الاندماج الحراري النووي في أعماق الشمس فَتُصدِر هذه التفاعلات قدرًا كبيرًا من الطاقة بحيث تحافظ على حرارة سطح الشمس عند درجة 10300 فهرنهايت (5700 درجة مئوية)،

 وبالرغم من أن الطاقة الشمسية هي أكبر مصدر للطاقة التي تتلقاها الأرض إلا أن شدتها على سطح الأرض منخفضة جدًا وذلك بسبب المسافة الكبيرة بين الأرض والشمس والغلاف الجوي للأرض الذي يمتص وينثر الإشعاع فالطاقة التي تصل إلى سطح الأرض عبر الغلاف الجوي في يوم صافٍ تكون فيه الشمس فوق الأرض مباشرة لا تتعدى نسبة 30٪ تقريبًا وعندما تكون الشمس قريبة من الأفق والسماء ملبدة بالغيوم فإن الطاقة الشمسية على مستوى الأرض تكون ضئيلة للغاية، كما وتختلف كَمّيَّة الأشعة على سطح الأرض من نقطة إلى أخرى.

إن الكَمّيَّة الإجمالية للطاقة الشمسية التي تتلقاها الأرض تتجاوز بشكل كبير الكَمّيَّة المستخدمة في العالم، لكن إن تم تسخيرها بشكل مناسب

فإن هذا المصدر عالي الانتشار لديه القدرة على تلبية جميع احتياجات الطاقة المستقبلية، ففي القرن الحادي والعشرين من المتوقع أن تتزايد استخدامات الطاقة الشمسية بشكل أكبر لاعتبارها طاقة مستمرة ومتجددة ولا تسبب التلوث، وبالمقابل ستتناقص استخدامات الوقود الأحفوري المحدود والذي يسبب التلوث، كالفحم والبترول والغاز الطبيعي.

 جمع الطاقة الشمسية وتحويلها

تم تطوير عدد من الأجهزة لتجميع الطاقة الشمسية وتحويلها إلى طاقة قابلة للاستخدام، ونظرًا لأن شدة إشعاع الشمس على سطح الأرض منخفض جدًا يجب أن تكون المجمعات المصممة لالتقاط الطاقة الشمسية كبيرة في المنطقة، على سبيل المثال في الأجزاء المشمسة من المناطق المعتدلة في العالم يجب أن تبلغ مساحة الألواح حوالي 40 مترًا مربعًا لجمع طاقة كافية لتلبية احتياجات الطاقة لبيت واحد.

مجمعات الألواح المسطحة

تُعدُّ ألواح الطاقة الشمسية الأكثر شيوعًا بين أدوات تحويل الطاقة لجمع الطاقة، وتتكون هذه الألواح من صفيحة معدنية داكنة مغطاة بورقة أو لوحتين من الزجاج تمتص الحرارة، وتنتقل الحرارة إلى الهواء أو الماء وتسمى السوائل الحاملة والتي تتدفق عبر الجزء الخلفي من اللوحة فيمكن استخدام هذه الحرارة مباشرة أو يمكن نقلها إلى وَسَط آخر وتُستخدم مجمعات الألواح المسطحة لتسخين المنازل والماء، حيث تتراوح درجات حرارة هذه المجمعات من 150 درجة إلى 200 درجة فهرنهايت (66 درجة إلى 93 درجة مئوية) وكفاءة أدائها تصل إلى 80%.

الألواح الشمسية هي المكون الأساسي في الأنظمة الشمسية التي تقوم بتوليد الكهرباء، تصنع الخلايا الشمسية من مواد شبه موصلة مثل السيلكون تمتص الضوء من الشمس، السيليكون بطبيعته لامع جدا، فمن اجل الاستفادة من الفوتونات ومنعها من الانعكاس بعيدا عن الخلية، يتم تطبيق طلاء مضادة للانعكاس للخلايا، يتم وضع غطاء زجاجي اعلى اللوح الشمسي لحماية pv cell مادة السيليكون من العوامل الخارجية والخدش، يتكون اللوح من مجموعة من الخلايا المتصلة مع بعضها البعض في اطار واحد وموصلة بينها، الخلايا مقاسها القياسي 15.6*15.6 سم.

لذلك فان جهود كثير من الدول تتوجه نحو استثمار الطاقة الشمسية، وترصد لها المبالغ اللازمة لتطوير المنتجات، والبحوث الخاصة باستغلال الطاقة الشمسية كإحدى اهم مصادر الطاقة البديلة للنفط والغاز، وقد اعطى النصيب الاوفر في البحوث والتطبيقات لمجال تحويل الطاقة الشمسية الى كهرباء وهو ما يعرف باسم Photovoltaic وهذا المصدر من الطاقة هو امل الدول النامية في التطور حيث اصبح توفر الطاقة الكهربائية من اهم العوامل الرئيسية لإيجاد البنى الأساسية فيها، ولا يتطلب انتاج الكهرباء من الطاقة الشمسية مركزية في التوليد بل تنتج الطاقة، وتستخدم بالمنطقة نفسها او المكان، وهذا ما يوفر الكثير من التكلفة في النقل والمواصلات.

وتعتمد هذه الطريقة بصورة أساسية على تحويل اشعة الشمس الى طاقة كهربائية، وتوجد في الطبيعة مواد كثيرة تستخدم في صناعة الخلايا الكهرو شمسية، والتي تجمع بنظام كهربائي وهندسي محدد لتكوين ما يسمى باللوح الشمسي الذي يعرض بدوره لأشعة الشمس بزاوية معينة لينتج أكبر قدر من الكهرباء.

ورغم ان الطاقة الشمسية اخذت تتبوأ مكانا مهما ضمن البدائل المتعلقة بالطاقة المتجددة، الا ان مدى الاستفادة منها يرتبط بوجود اشعة الشمس طيلة وقت الاستخدام اسوة بالطاقة التقليدية، وعليه يبدو ان المطلوب (إضافة الى تطوير التحويل الكهربائي والحراري للطاقة الشمسية) تطوير تقنية تخزين تلك الطاقة للاستفادة منها في اثناء فترة احتجاب الاشعاع الشمسي.

 وهنالك طرق تقنية عدة لتخزين الطاقة الشمسية تشمل التخزين الحراري والكهربائي والميكانيكي والكيميائي والمغناطيسي … الخ وتعد بحوث تخزين الطاقة الشمسية من اهم مجالات التطوير اللازمة في تطبيقات الطاقة الشمسية وانتشارها على مدى واسع، حيث ان الطاقة الشمسية رغم انها متوفرة الا انها ليست في متناول اليد وليست مجانية بالمنعى المفهوم. فسعرها الحقيقي عبارة عن المعدات المستخدمة لتحويلها من طاقة كهرومغناطيسية الى طاقة كهربائية او حرارية، وكذلك تخزينها إذا دعت الضرورة. ورغم ان هذه التكاليف حاليا تفوق تكلفة انتاج الطاقة التقليدية الا انها تعطي صورة كافية عن مستقبلها لأنها اخذة في الانخفاض المتواصل بفضل البحوث الجارية والمستقبلية.